電源濾波設(shè)計(jì)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(jìn)行調(diào)諧。將這種鐵電材料應(yīng)用于電容時(shí),只需施加一個(gè)電壓,即可導(dǎo)致其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生細(xì)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(bǔ)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(shí)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(gè)單獨(dú)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(gè)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(dá)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(dá)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(jì)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(jìn)行更新。利用脈沖將負(fù)載引腳(LDAC)拉低,可以同時(shí)更新所有四個(gè)DAC,因此可以同時(shí)改變四個(gè)BST電容。
圖2所示為一個(gè)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(dòng)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(jì)人員漸已達(dá)到物理設(shè)計(jì)的極限,一旦縮小天線體積,效率即會(huì)下降。可調(diào)諧天線解決了多頻段、多模式手機(jī)中的這一問題,并且能夠擴(kuò)展手機(jī)的工作頻率范圍,例如從美國GSM850切換到歐洲GSM900,同時(shí)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?yàn)g覽網(wǎng)絡(luò)會(huì)涉及到不同的頭部和手部位置,這會(huì)給天線提供不同的負(fù)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(jī)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(dá)20 V的電壓。通過將一個(gè)2 A、0.13 ?功率開關(guān)與一個(gè)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(fù)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(shí)現(xiàn)高效率或最小外部元件尺寸:650 kHz時(shí),其效率可達(dá)到90%;1.3 MHz時(shí),其電路能夠以最小空間實(shí)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(dòng)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(dòng)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(bào)價(jià)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(zhǔn)電壓源、溫度傳感器、四個(gè)雙緩沖DAC和四個(gè)高壓放大器。上電時(shí),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(gè)報(bào)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(gè)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(xiǎn),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(jī)器上選擇的是一個(gè)市面上買來的通用濾波器,這個(gè)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?yàn)樽罱龅降暮脦灼鹗虑?,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(jì)了個(gè)濾波器樣品,一裝上ok才算pass,其實(shí)設(shè)計(jì)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(gè)共模電容、一個(gè)差模電容和一個(gè)共模電感,靠這點(diǎn)東西就能放之四海而皆準(zhǔn),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(jì))需濾掉的雜波頻點(diǎn)或頻段和強(qiáng)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(jì)一款適用的濾波器。
第二種是先設(shè)計(jì)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(jìn)行測試,根據(jù)測試的結(jié)果確定濾波器的濾除頻點(diǎn)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(diǎn)的高次諧波,在起初設(shè)計(jì)時(shí),就可以根據(jù)預(yù)估給出濾波器的要求來,220KHz頻點(diǎn)時(shí),共模插損ILCM=60dB 差模插損ILDM=60dB,根據(jù)這個(gè)要求,濾波器廠家就可以設(shè)計(jì)出濾波器來。
如手術(shù)室用監(jiān)護(hù)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(diǎn)時(shí),共模插損ILCM=70dB 差模插損ILDM=70dB,根據(jù)這個(gè)要求,濾波器廠家就可以設(shè)計(jì)出濾波器來。
插損這個(gè)指標(biāo),行規(guī)是在50Ω的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載下測得的,但實(shí)際電路中,阻抗匹配的不可能這樣標(biāo)準(zhǔn),因此,插損的指標(biāo)在使用會(huì)打些折扣。所以預(yù)估時(shí)要求指標(biāo)要高些。
案例2:某產(chǎn)品未加濾波器時(shí)的測試結(jié)果,畫黑圈的是兩個(gè)主要的超標(biāo)頻點(diǎn),最左側(cè)的點(diǎn)是213KHz,超標(biāo)7dB左右,右面一個(gè)是它的高次諧波,可以不必理它,213K濾掉了,那個(gè)也就跟著消除了。
作為電子設(shè)計(jì)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(bǔ)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(diǎn):
1.電壓
這個(gè)電壓值要求是一個(gè)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(xì)了,細(xì)導(dǎo)線上跑大電流,如小馬拉大車,會(huì)引起嚴(yán)重發(fā)熱以至燒毀。這個(gè)電流也是一個(gè)范圍,穩(wěn)態(tài)電流+波動(dòng)電流的最大值。
3.電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求的不同,在選擇時(shí)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(zhǔn)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(gè)開關(guān)工作狀態(tài),會(huì)有對外的發(fā)射,EMC測試時(shí)候會(huì)重點(diǎn)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(diǎn)具有足夠的濾除效果。
4.安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求
讀者可能會(huì)覺得奇怪,選濾波器,說安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)干啥?這是因?yàn)闉V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(gè)要求。與濾波器有關(guān)的安規(guī)重點(diǎn)是三個(gè)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(qiáng)度,考驗(yàn)的是Y電容的耐壓值,Y電容大了,漏電流就會(huì)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(jì)上就采取了輸入端無Y電容設(shè)計(jì)(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(shí)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(diǎn)被退貨說濾波器安規(guī)不合格的情況,最后經(jīng)查是1500V時(shí)漏電流設(shè)定為2mA(應(yīng)為5mA),測試儀器報(bào)警就是正常的了。
另一個(gè)問題就是R的選擇,有好多廠家的濾波器沒裝這個(gè)電阻,在拔掉插頭后,在較短的時(shí)間內(nèi),去摸電源的插口,如果會(huì)有被電的感覺,問題就出在沒裝這個(gè)電阻上。這是個(gè)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(shí)候也差不多可以用,但既不知己也不知彼的設(shè)計(jì)方式,浪費(fèi)資源、埋留隱患的可能性就大大增加。這在需要精益設(shè)計(jì)、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(shí)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(gè)dB的級別進(jìn)行衰減,從而達(dá)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(shí)候,電磁波的相位也在發(fā)生變化,因?yàn)橄辔灰彩呛皖l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(diǎn)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(diǎn)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?jǐn)橙艘苍趲臀覀?,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?yàn)V波器:它可以很好的解決巴特沃思過渡帶平緩的缺點(diǎn),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?yàn)檫^渡帶很陡峭,所以其截止頻率點(diǎn)前后兩個(gè)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(gè)優(yōu)點(diǎn)必然伴隨著一個(gè)缺點(diǎn),切比雪夫?yàn)V波器的缺點(diǎn)是在通帶頻率的末端部分,放大倍數(shù)會(huì)有較強(qiáng)的波動(dòng),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?yàn)樗奶匦允窍辔痪€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(yáng)。因?yàn)橄辔坏淖兓瘜?dǎo)致歌曲的嘔呀啁咤難為聽。此時(shí),貝塞爾濾波器將會(huì)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(shí)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(jǐn)慎了。比如醫(yī)療手術(shù)時(shí)的電刀產(chǎn)品,其工作頻率是500KHz,它本身會(huì)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(shí),與電刀共用電源的設(shè)備也要警惕,其500KHz也可能會(huì)對您產(chǎn)生干擾。
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