電源濾波設(shè)計關(guān)鍵基礎(chǔ)精華集錦

　　天線陣列和濾波器常常通過改變鈦酸鋇鍶（BST）電容上的電壓來進行調(diào)諧。將這種鐵電材料應(yīng)用于電容時，只需施加一個電壓，即可導(dǎo)致其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生細小的變化，從而改變其介電常數(shù)，電容值因而隨之改變。相比于傳統(tǒng)的變?nèi)荻O管，電子可調(diào)諧BST電容能夠處理更高的功率和更大的信號幅度。

　　在典型應(yīng)用中，調(diào)諧電容可補償器件容差，調(diào)整濾波器的截止頻率，或者匹配可調(diào)諧天線的網(wǎng)絡(luò)阻抗。BST電容的調(diào)諧是通過施加0 V至30 V的電壓來實現(xiàn)?，F(xiàn)代電子器件所用的電源電壓呈現(xiàn)越來越低的趨勢，3.3 V、2.5 V甚至1.8 V電源已成為常用電源，尤其是在電池供電的應(yīng)用中。如果僅僅針對這一功能而增加一個單獨的電源，盡管可以獲得調(diào)諧的好處，但并不總是值得這樣做。因此，需要一種簡便的方法來產(chǎn)生所需電源。

　　以此應(yīng)用為例，假設(shè)電源電壓為3 V，但為了完全控制BST電容，需要20 V以上的電壓。兩個主要電路模塊分別是升壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器ADP1613和高壓DAC AD5504。圖1所示電路可產(chǎn)生高達30 V的DAC輸出電壓。DAC輸出設(shè)置BST電容的偏置電壓，從而調(diào)整天線響應(yīng)。

　　圖1. 升壓電源和高壓DAC為BST電容提供調(diào)諧信號

　　ADP1613是一款升壓DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器（圖4），集成了功率開關(guān)，能夠提供高達20 V的輸出電壓。通過使用外部器件，它可以輸出更高的電壓。如圖所示，ADP1613從3 V輸入產(chǎn)生32 V輸出。ADIsimPower™工具可以幫助設(shè)計人員根據(jù)輸入要求輕松確定適當(dāng)?shù)钠骷?/p>

　　ADP1613的32 V輸出為四通道12位高壓DAC AD5504（圖5）供電，而該DAC的四路輸出各自可以提供最高60 V的電壓。R_SEL引腳上的電壓決定其滿量程輸出。在此應(yīng)用中，R_SEL連接到VDD，從而將滿量程輸出設(shè)置為30 V。DAC寄存器通過3 V兼容串行接口進行更新。利用脈沖將負載引腳（LDAC）拉低，可以同時更新所有四個DAC，因此可以同時改變四個BST電容。

　　圖2所示為一個用作可調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)的BST電容的等效電路。圖3顯示了BST電容與電壓的傳遞函數(shù)以及天線響應(yīng)。BST電容可以從Agile RF等供應(yīng)商處購得。

　　圖2. BST電容等效電路

　　圖3. 偏置電壓與BST電容的關(guān)系以及相應(yīng)的天線響應(yīng)

　　圖4. ADP1613功能框圖

　　圖5. AD5504功能框圖

　　諸如圖1所示的電路對目前正受到兩種對立要求夾擊的新一代移動電話有利。一方面一如既往地需要減小尺寸和功耗，而另一方面又需要提高性能，以便通過在更小的體積中安裝更多天線和無線電系統(tǒng)來利用更多的頻段。就體積和效率而言，天線設(shè)計人員漸已達到物理設(shè)計的極限，一旦縮小天線體積，效率即會下降?？烧{(diào)諧天線解決了多頻段、多模式手機中的這一問題，并且能夠擴展手機的工作頻率范圍，例如從美國GSM850切換到歐洲GSM900，同時尺寸和效率保持不變。在多用途設(shè)備中，發(fā)送短信、通話或瀏覽網(wǎng)絡(luò)會涉及到不同的頭部和手部位置，這會給天線提供不同的負載阻抗，導(dǎo)致天線失諧和信號質(zhì)量下降?？烧{(diào)諧阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)則能根據(jù)條件變化隨機應(yīng)變，恢復(fù)失諧的信號。
升壓DC/DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器工作頻率為650 kHz/1300 kHz

　　ADP1613升壓轉(zhuǎn)換器采用2.5 V至5.5 V單電源供電，卻能夠提供150 mA以上的電流和高達20 V的電壓。通過將一個2 A、0.13 ？功率開關(guān)與一個電流模式脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)器集成在一起，其輸出隨輸入電壓、負載電流和溫度變化而改變的幅度不到1%。工作頻率可通過引腳選擇，并可通過優(yōu)化實現(xiàn)高效率或最小外部元件尺寸：650 kHz時，其效率可達到90%;1.3 MHz時，其電路能夠以最小空間實現(xiàn)，因而非常適合便攜式設(shè)備和液晶顯示器中的空間受限環(huán)境?？烧{(diào)軟啟動電路可將浪涌電流降至最小，從而確保安全、可預(yù)測的啟動條件。ADP1613在開關(guān)狀態(tài)下的功耗為2.2 mA，在非開關(guān)狀態(tài)下的功耗為700 ？A，而在關(guān)斷模式下的功耗為10 nA。它采用8引腳MSOP封裝，額定溫度范圍為–40℃至+85℃，千片訂量報價為0.70美元/片。

　　四通道12位DAC提供高壓輸出

　　四通道12位高壓DACAD5504提供引腳可選的0 V至30 V或0 V至60 V輸出范圍。該器件功能完整，內(nèi)置精密基準電壓源、溫度傳感器、四個雙緩沖DAC和四個高壓放大器。上電時，數(shù)字部分使能并設(shè)置為已知狀態(tài)，模擬部分則保持禁用狀態(tài)，直到通過SPI端口發(fā)出上電命令。如果芯片溫度超過110°C，溫度傳感器將斷開模擬輸出，并設(shè)置一個報警標(biāo)志。在30 V模式下，AD5504的最大微分非線性（DNL）額定值為1 LSB，而最大積分非線性（INL）額定值為3 LSB。它采用10 V至62 V和2.3 V至5.5 V電源供電，正常模式下的功耗為2 mA，而掉電模式下的功耗為30 mA。它采用16引腳TSSOP封裝，額定溫度范圍為–40℃至+105℃。

　　七、濾波器選擇需注意的十個問題

　　近期接觸幾位技術(shù)工程師朋友在選用濾波器，發(fā)現(xiàn)了不少有意思的問題，才發(fā)現(xiàn)波平浪靜處水最險，簡曰“燈下黑”。于是才斗膽誕生此文。

　　1、如果未經(jīng)過對儀器的EMI、EMS指標(biāo)測試就選定了濾波器，基本上屬于“盲人騎瞎馬、夜半臨深池”的主兒；

　　2、如果機器上選擇的是一個市面上買來的通用濾波器，這個濾波器基本上是可以不加的；

　　3、濾波器8分定制、2分通用才算比較靠譜。

　　下此結(jié)論的原因是因為最近遇到的好幾起事情，都加了濾波器，但傳導(dǎo)就是不過，最后還是根據(jù)測試結(jié)果給設(shè)計了個濾波器樣品，一裝上ok才算pass，其實設(shè)計本身也并不復(fù)雜，不過多加了一級差模電容和差模電感、或調(diào)整了一下濾波器電感電容的參數(shù)而已。通用型的IEC插座濾波器，里面的空間很小，一般只能放得下2個共模電容、一個差模電容和一個共模電感，靠這點東西就能放之四海而皆準，難度莫大焉。

　　那濾波器應(yīng)如何選型？

　　第一種是預(yù)知曉（起碼是估計）需濾掉的雜波頻點或頻段和強度，然后提出對濾波頻段的衰減要求，將此要求提給廠家，由廠家給您設(shè)計一款適用的濾波器。

　　第二種是先設(shè)計產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)空間上預(yù)留出裝濾波器的位置，等產(chǎn)品裝好后進行測試，根據(jù)測試的結(jié)果確定濾波器的濾除頻點和衰減特性。

　　除此二者外，基本上沒有其他的方法能有效地選好濾波器。

　　案例1：

　　如低頻無極燈產(chǎn)品，整流器開關(guān)頻率220KHz，此頻率是干擾的基頻，其他干擾頻率基本都是此頻點的高次諧波，在起初設(shè)計時，就可以根據(jù)預(yù)估給出濾波器的要求來，220KHz頻點時，共模插損ILCM=60dB 差模插損ILDM=60dB，根據(jù)這個要求，濾波器廠家就可以設(shè)計出濾波器來。

　　如手術(shù)室用監(jiān)護儀，與手術(shù)刀在共同的環(huán)境下使用，手術(shù)刀的頻率是500KHz，可以根據(jù)預(yù)估給出對濾波器的要求，500KHz頻點時，共模插損ILCM=70dB 差模插損ILDM=70dB，根據(jù)這個要求，濾波器廠家就可以設(shè)計出濾波器來。

　　插損這個指標(biāo)，行規(guī)是在50Ω的標(biāo)準負載下測得的，但實際電路中，阻抗匹配的不可能這樣標(biāo)準，因此，插損的指標(biāo)在使用會打些折扣。所以預(yù)估時要求指標(biāo)要高些。

　　案例2：某產(chǎn)品未加濾波器時的測試結(jié)果，畫黑圈的是兩個主要的超標(biāo)頻點，最左側(cè)的點是213KHz，超標(biāo)7dB左右，右面一個是它的高次諧波，可以不必理它，213K濾掉了，那個也就跟著消除了。

　　作為電子設(shè)計工程師，能預(yù)估出、或能測出預(yù)定的干擾頻率和提出擬衰減的指標(biāo)來，這就夠了。

　　濾波器有多種，做儀器設(shè)備中常用到的是電源濾波器和信號濾波器。其他類型的作無功功率補償?shù)碾娏V波器、微波頻段的濾波器不是這里討論的內(nèi)容。

　　濾波器的選擇需要考慮以下多點：

　　1.電壓

　　這個電壓值要求是一個范圍，是穩(wěn)態(tài)電壓±紋波電壓的綜合。

　　2.電流

　　電流的指標(biāo)很關(guān)鍵，它決定了濾波器內(nèi)部的電感的繞組銅線和引出線的線徑。如果選細了，細導(dǎo)線上跑大電流，如小馬拉大車，會引起嚴重發(fā)熱以至燒毀。這個電流也是一個范圍，穩(wěn)態(tài)電流+波動電流的最大值。

　　3.電磁兼容標(biāo)準要求

　　既然是濾波器，為的就是濾掉一些不期望的頻段，而濾除的效果一般是由EMC測試標(biāo)準和現(xiàn)場應(yīng)用的直觀結(jié)果來確定。尤其是電源濾波器，最好能確定用此濾波器的產(chǎn)品需要通過的是哪個標(biāo)準，根據(jù)標(biāo)準要求的不同，在選擇時也有其特定的測試頻段要求。

　　電源濾波器的主要針對指標(biāo)是傳導(dǎo)發(fā)射CE和傳導(dǎo)抗擾CS，信號濾波器的則主要看EMC標(biāo)準里對不期望輸入頻段和不期望輸出頻段的要求了。

　　比如無極燈用的整流器，本身就是一個開關(guān)工作狀態(tài)，會有對外的發(fā)射，EMC測試時候會重點檢查其開關(guān)頻率以及其高次諧波成分的傳導(dǎo)干擾，濾波器就需要針對這些特定頻段或頻點具有足夠的濾除效果。

　　4.安規(guī)標(biāo)準要求

　　讀者可能會覺得奇怪，選濾波器，說安規(guī)標(biāo)準干啥？這是因為濾波器一般用在電源輸入端和板卡的接口處，這些部位都是安規(guī)問題的重災(zāi)區(qū)。等于是濾波器一身承擔(dān)了多個要求。與濾波器有關(guān)的安規(guī)重點是三個指標(biāo)：絕緣耐壓、漏電流、剩余電壓剩余能量。

　　絕緣耐壓打LN對地的絕緣強度，考驗的是Y電容的耐壓值，Y電容大了，漏電流就會大，容易導(dǎo)致安規(guī)要求上的漏電流超標(biāo)，現(xiàn)在有部分廠家設(shè)計上就采取了輸入端無Y電容設(shè)計（如圖）。這樣LN對G就成了LN通過L1、Cy1、Cy2、G’對G了，而G和G’是不連的。如果采用了輸入端接Y電容的方式，即將Cy1和Cy2放到前面R的左面來，則測試時須注意絕緣耐壓的設(shè)定和漏電流的大小是正相關(guān)的，最高不超過20mA。曾經(jīng)遇到過差點被退貨說濾波器安規(guī)不合格的情況，最后經(jīng)查是1500V時漏電流設(shè)定為2mA（應(yīng)為5mA），測試儀器報警就是正常的了。

　　另一個問題就是R的選擇，有好多廠家的濾波器沒裝這個電阻，在拔掉插頭后，在較短的時間內(nèi)，去摸電源的插口，如果會有被電的感覺，問題就出在沒裝這個電阻上。這是個高耐壓、起泄放電作用的功率電阻。

　　5.濾波器電路結(jié)構(gòu)形式

　　電路結(jié)構(gòu)形式和期間的參數(shù)選擇是濾波器的核心，但就是在這一部分，應(yīng)用工程師的選擇常常兩眼一摸黑著選，雖然大多時候也差不多可以用，但既不知己也不知彼的設(shè)計方式，浪費資源、埋留隱患的可能性就大大增加。這在需要精益設(shè)計、從中國制造到中國創(chuàng)造的電子制造業(yè)，從初級工程師向資深工程師的成長期望上來說，都是不合時宜的。

　　濾波器的作用是對通過其的不同頻率有不同的放大效果，對通帶內(nèi)頻段的則不衰減，對通帶外要抑制的則以幾十個dB的級別進行衰減，從而達到過篩子的目的。但就是濾波器在對不同頻率的電壓幅值采取不同放大倍數(shù)的時候，電磁波的相位也在發(fā)生變化，因為相位也是和頻率有關(guān)的，所以濾波器結(jié)構(gòu)形式的選取，也還是有些學(xué)問的。

　　濾波器結(jié)構(gòu)形式常用的是三種：

　　a.巴特沃思濾波器：特點是通帶內(nèi)放大倍數(shù)平整，通帶內(nèi)，隨著頻率的變化，濾波器放大倍數(shù)基本維持不變；但缺點是通帶向截止段的過渡段，過渡的較為平緩。意思是說，敵人和朋友的界限不是很清楚，有一部分朋友也在干著敵人的事情，有一部分敵人也在幫我們，對這一部分是殺掉還是留在組織里，讓人很糾結(jié)。如果有用頻率和干擾頻率離得很近，這種濾波器的作用就很有問題。

　　b.切比雪夫濾波器：它可以很好的解決巴特沃思過渡帶平緩的缺點，在這種形式的濾波器中，過渡帶很陡峭，即使有用頻率和干擾頻率很近，因為過渡帶很陡峭，所以其截止頻率點前后兩個頻段放大倍數(shù)的差別很大，非友即敵，很好區(qū)分，是朋友就沒干過對不起我們的事，是敵人的就沒干過對我們好的事，所以朋友拉入組織優(yōu)厚待遇，是敵人則干凈利落的消滅之。高山之側(cè)必有深谷，一個優(yōu)點必然伴隨著一個缺點，切比雪夫濾波器的缺點是在通帶頻率的末端部分，放大倍數(shù)會有較強的波動，即在通帶內(nèi)，隨著頻率的變化，放大倍數(shù)雖然比濾除頻段大了很多，但對通帶內(nèi)的頻率，其放大倍數(shù)并不是保持穩(wěn)定不變的，就是說，朋友們的情緒并不穩(wěn)定，也不是所有朋友都一如既往的付出幫助。（僅做舉例說明，不要誤解為對朋友的不滿哈）

　　c.貝塞爾濾波器：此種濾波器不是很通用，用的較專，因為它的特性是相位線性。前兩種關(guān)注的是放大倍數(shù)，但如果對語音信號，比如歌曲，通帶內(nèi)放大倍數(shù)雖然沒有變化，但其旋律卻不再悠揚。因為相位的變化導(dǎo)致歌曲的嘔呀啁咤難為聽。此時，貝塞爾濾波器將會發(fā)生其作用。

　　至于選擇哪種濾波器電路結(jié)構(gòu)形式，電路工程師未必去做深入研究，但須知道自己想要的特性，并提供給濾波器廠家，由他們幫您做選擇。

　　現(xiàn)在的電源濾波器都是低通濾波器，通過的都是工頻50Hz或60Hz，這是有用頻率，其他的全是無用的了，所以用截止頻率在1KHz以上的就綽綽有余，因此，盲人騎瞎馬似的隨便選濾波器，很多時候也沒出問題。所以對電源濾波器的選取在工藝、安規(guī)上就要多關(guān)注了。但在有特定輸出或輸入的場合，電源濾波器的選擇就要謹慎了。比如醫(yī)療手術(shù)時的電刀產(chǎn)品，其工作頻率是500KHz，它本身會對網(wǎng)電源造成干擾，所以電刀的對外傳導(dǎo)干擾需要抑制；同時，與電刀共用電源的設(shè)備也要警惕，其500KHz也可能會對您產(chǎn)生干擾。