原创 DCDC输入滤波器参考设计

 2026-6-30 12:50  55 1 1 分类: 模拟文集: 硬件电路设计

<h2><p><b>1、输入滤波器的设计</b></p><p><span style="font-size: 16px;">▼一般来说，会使用如下图1.1 所示的 </span><b style="font-size: 16px;">π型输入滤波器</b><span style="font-size: 16px;">，对输入电流进行滤波。这样可以减小 AC电压纹波的振幅，将传导噪声抑制到可接受的较低的水平。</span></p></h2><span class="d_l_FIGURE"><div><img src="https://picx.zhimg.com/80/v2-a224c8c5cc2091f2107c1f30be0c65c5_720w.png?source=ccfced1a"></div><p><span class="d_l_FIGCAPTION">图1.1 π型输入滤波器</span></p><p>第1步：是将用于减小 AC 振幅的电容器连接到 DC/DC 转换器 IC 的输入端。此电容器的作用是高通滤波器旁路电容。后续称该电容为 CF1。 此时，该<b>输入电容器可以选择使用 MLCC</b>。<b>MLCC 的 ESR 非常小</b>，可以忽略，因此高频电压可以通过低阻抗接地而很快被短路泄放掉。</p></span><div>AC 纹波的频率相同。<b>旁路滤波电容的容值</b>，需要<b>选择为使得电容器自身谐振频率和 DC/DC转换器IC 的开关频率相近</b>。</div><p>▼下图所示的是封装大小为 EIA1206 的 4.7µF/MLCC阻抗曲线和 ESR曲线。</p><p><img src="https://pic1.zhimg.com/80/v2-49ed4afc99e5e29df94529c8d4b931e2_720w.png?source=ccfced1a"></p><span class="d_l_FIGURE"><p><span class="d_l_FIGCAPTION">图1.2 4.7µF/MLCC的ESR特性</span></p><p>MLCC 的阻抗特性是在自身谐振频率SRF 处，ESR 最小。为了将 AC 噪声通过低阻抗接地，需要选择低 ESR 的 MLCC。</p></span><p>当使用开关频率工作在 2.2MHz 的 BD9Pxx5xx 等 DC/DC转换器IC 时，推荐使用 EIA0805封装大小的 4.7 µF/MLCC 作为旁路滤波电容。</p><p>第2步：配置滤波电感（后续称作 LF）和滤波电容CF2，就可以形成 LC滤波器。LC滤波器输入端的噪声经过 LC滤波器后在其输出端，可以得到 40dB/decade 的削减。</p><div>为了减小 DC/DC 转换器所产生的噪声，需要将 LC滤波器的<b>截止频率按照开关频率的 1/10</b> 进行最优化<b>设置</b>。截止频率 fCf 的计算公式如式（1）所示。</div><span class="d_l_FIGURE"><div><img src="https://pica.zhimg.com/80/v2-8f996b01df77ccb1fbe4df51a310b9ee_720w.png?source=ccfced1a"></div><div><br></div></span><p>滤波电感通常是输入滤波器中最贵的元件。为了降低 BOM 成本，可以选择 10uH 等低感量的电感。为了通过使用滤波电感来实现较高的噪声衰减能力，推荐滤波电感的感量小于滤波电容的静 电容量。感量越大，自身谐振频率SRF 越小。</p><p>例如选择自身谐振频率大约是 30MHz 的电感，实际设计时一般选择最大感量小于 10μH 的滤波电感。<b>60～400KHz</b> 低开关频率范围，适合使用<b>金属复合型电感</b>。对 于 <b>1MHz 以上</b>的较高开关频率，推荐使用<b>铁氧体型电感</b>。</p><p>当实际电流超过滤波电感的额定电流时，可能会对电感线圈造成损害。为了不对 DC/DC转换器的效率产生影响，推荐使用等效串联电阻(DCR) 较小的电感，以减少自身功耗。</p><p>DC/DC转换器的有效输入电流Iin 的计算公式：Iin*Vin*η = Vout*Iout，即如下式(2)。</p><span class="d_l_FIGURE"><div><img src="https://pica.zhimg.com/80/v2-9831dd723a6960e3c804963e1ca70ee8_720w.png?source=ccfced1a"></div><div><br></div></span><div>滤波电感的额定电流必须大于输入电流。滤波电容CF2 可以由公式(3) 进行计算。</div><span class="d_l_FIGURE"><div><img src="https://picx.zhimg.com/80/v2-52cfed5d18b7aeab95d7af2171af310b_720w.png?source=ccfced1a"></div><div><br></div></span><div>根据成本和用途，滤波电容CF2 既可以选择使用 MLCC 也可以选择使用电解电容。此处<b>电解电容具有 ESR 较大的优点</b>，适合用来<b>衰减电源线的暂态电压</b>。</div><div>▼MLCC 比电解电容便宜，但是其静电容量会随着电压升高而减小。 例如：下图1.3 是 150nF、额定 50V、X7R MLCC 的电压偏置特性。</div><span class="d_l_FIGURE"><div><img src="https://picx.zhimg.com/80/v2-83673eff223c578a3688e8067df38eeb_720w.png?source=ccfced1a"></div><p><span class="d_l_FIGCAPTION">图1.3 150nF、额定 50V、X7R MLCC 的电压偏置特性</span></p><p>关于 MLCC 的电压偏置特性，需要保证所选用的 MLCC 在实际施加的电压条件下有必要的静电容量。一般选型时要求电容器的额定电压大于电容器上实际所产生最高电压的 2倍。</p></span><h2><p><b>2、滤波器阻尼</b></p></h2><div>输入滤波器会对 DC/DC转换器的传递函数产生影响，从而导致环路增益产生变化，这对于 DC/DC转换器的控制环路稳定性来说是非常重要的因素。也就是说，在特定的条件下，当<b>追加输入滤波器后</b>，<b>控制环路有可能会变得不稳定</b>。▼如下图2.1 所示，需要考虑输入滤波器的 Q值和输出阻抗。</div><span class="d_l_FIGURE"><div><img src="https://pica.zhimg.com/80/v2-4f1ce291af201e9fc8c2ebcaa0780380_720w.png?source=ccfced1a"></div><p><span class="d_l_FIGCAPTION">图2.1 输入滤波器和 DC/DC 转换器的阻抗</span></p><p>输入滤波器的输出阻抗ZOutF 和 DC/DC转换器的输入阻抗ZInCon 会发生相互干涉，因此 LC 输入滤波器会对 DC/DC转换器的控制环路产生影响。</p></span><p>LC滤波器有可能造成相位余量减小，暂态响应特性下降。 如果输入滤波器的 Q值过大，当 DC/DC转换器输入端的输入电压 发生变化时，可能产生振荡现象，控制环路可能会变得不稳定。</p><p>▼Q值的定义如公式(4)所示。</p><span class="d_l_FIGURE"><div><img src="https://picx.zhimg.com/80/v2-f0371fdb03cf5c8ec986617c5e941848_720w.png?source=ccfced1a"></div><div><br></div></span><div>▼此处所适用的稳定性原则，是输入滤波器的输出阻抗ZoutF 必须小于 DC/DC转换器输入Zin 的输入阻抗。 如公式(5)的说明。</div><span class="d_l_FIGURE"><div><img src="https://picx.zhimg.com/80/v2-ac06b9675e86ba84995b9cb1653cd571_720w.png?source=ccfced1a"></div><div><br></div></span><div>▼此外，输入滤波器的截止频率f0F 必须小于 DC/DC 转换器的过零频率 fCOCon。</div><span class="d_l_FIGURE"><div><img src="https://picx.zhimg.com/80/v2-a93685a96ec2390646558415e5b3622d_720w.png?source=ccfced1a"></div><div><br></div></span><div>▼如下图2.2 所示，当<b>追加 RC网络</b>时，<b>可以减小输入滤波器的 Q值</b>。</div><span class="d_l_FIGURE"><div><img src="https://picx.zhimg.com/80/v2-8b4203435db05f15a540b4dbd0b102ad_720w.png?source=ccfced1a"></div><p><span class="d_l_FIGCAPTION">图2.2 包含阻尼网络的输入滤波器</span></p><p>电阻R 的目的是使滤波器衰减，所串联电容器的目的是阻断输入电压的 DC 部分减小阻尼电阻上所产生的损耗。</p></span><div>▼公式(7)用来计算当滤波器的 Q值 Qf = 1 时的阻尼电阻Rd。</div><span class="d_l_FIGURE"><div><img src="https://picx.zhimg.com/80/v2-23a56694575e4d16f9c61d4cafaff113_720w.png?source=ccfced1a"></div><div><br></div></span><div>▼RC网络中电容器的容值Cd 可以按照滤波器电容器Cf1 的静电容量的 5倍～10倍进行选择。</div><span class="d_l_FIGURE"><div><img src="https://pica.zhimg.com/80/v2-421fa72681730627c3b9065e0fba645c_720w.png?source=ccfced1a"></div><p>考虑到成本和空间，可以在滤波器输出端并联电解电容作为滤波器来取代 RC 网络，同样可以起到一定的衰减效果，但是需要注意的是电解电容的 ESR 不能提供合适的衰减效果。</p></span><h2><div><b>3、输入滤波器的位置</b></div></h2><p>为了保证所期望的特性，需要将输入滤波器尽量靠近 DC/DC转换器的输入端进行配置。当由于基板条件制约，输入滤波器被配置得较远时，电源走线可能在输入滤波器和 DC/DC转换器之间形成高频天线。</p><p>该电源走线和外壳之间又通过寄生电容耦合，产生共模噪声，有可能形成辐射噪声。从另一个角度看，电源走线的寄生感量和如图2.2 所示的陶瓷电容CF1 连动形成 LC滤波器，这样可以将纹波电压降到一定的低值，但是不足以将传导噪声减小到所要求的限值以内。</p><h2><div><b>4、结论与参考</b></div></h2><h3><div><b>1）结论</b></div></h3><div>输入滤波器被广泛应用于实现 DC/DC转换器的 EMC 最优化设计，但是在设计时，需要注意不能使 DC/DC转换器的控制环路稳定性出现问题。当追加 π型输入滤波器时，可以减小 DC/DC转换器的输入纹波电压，因此可以抑制传导噪声。为了避免发生不稳定问题，输入滤波器的输出阻抗需要配合 DC/DC转换器的输入阻抗进行设计。 输入滤波器的 Q值，可以通过使用 RC阻尼网络进行降低。</div><h3><div><b>2）参考</b></div></h3><div><a target="_blank">传导EMI抑制-π型滤波器设计</a></div><span class="d_l_FIGURE"><div><hr></div></span><span class="d_l_BLOCKQUOTE"><div> 天雨虽宽，不润无根之草。道法虽广，不渡无缘之人。<b>觉得不错，动动发财的小手点个赞哦！</b></div></span>

滤波器设计