本文介紹了基于VICOR電源模塊的輸出濾波器設(shè)計(jì)方案，并討論了開關(guān)電源噪聲消除的辦法，既適合于不同廠商生產(chǎn)的開關(guān)電源的輸出濾波，也適用于其他要求高穩(wěn)定度、高精度電源的電路的輸入濾波。

VICOR公司是美國(guó)著名的開關(guān)電源生產(chǎn)廠商，其標(biāo)志產(chǎn)品是直流; 直流變換器(DC-DC),以高的功率密度（7.3W/cm^3），效率高于80%和優(yōu)異的可靠性指標(biāo)著稱，廣泛用于航空航天領(lǐng)域。

VICOR的DC-DC模塊采用的是準(zhǔn)諧振零電流開關(guān)技術(shù)(ZCS-QRCs)，利用LC諧振回路使開關(guān)管在開通期間內(nèi)諧振，流過開關(guān)管的電流為半波正弦波。而開關(guān)過程發(fā)生在電流為零的時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)，在關(guān)斷期間內(nèi)，開關(guān)管兩端承受的電壓等于電源電壓。

ZCS-QRCs技術(shù)也稱為軟開關(guān)技術(shù)，開關(guān)過程中的電流為零，已經(jīng)大大減小了功率損耗、提高了轉(zhuǎn)換效率和可能產(chǎn)生的電壓尖峰，但是由于器件本身的原因，仍然有兩個(gè)主要的途徑產(chǎn)生噪聲。

（1）由于開關(guān)器件、整流管同基板之間存在寄生電容Cs，該電容在開關(guān)器件斷開期間將存儲(chǔ)的能量（CsVin2/2）通過開關(guān)器件瀉放掉，一方面使電路損耗增大，另一方面由于電壓變化率過大，將引起米勒效應(yīng)，產(chǎn)生嚴(yán)重的開關(guān)噪聲，如圖1 所示。

（2）整流管在恢復(fù)期間的反向電流曲線可能存在的較大的斜率（dI/dt），也會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲，因此對(duì)EMI抑止的要求就更加嚴(yán)格。開關(guān)電源輸出波形示意圖（如圖2所示）。

尖峰之間的時(shí)間間隔由開關(guān)電源主開關(guān)管的開關(guān)頻率決定，VICOR的開關(guān)頻率高達(dá)1MHz，因此可以達(dá)到很高的轉(zhuǎn)換效率，從圖中可以看到，尖峰噪聲的頻率比開關(guān)頻率高的多，一般在20~70MHz。

功率場(chǎng)效應(yīng)管在開關(guān)過程中電壓變化（dV/dt）經(jīng)過兩個(gè)串連電容的微分過后，產(chǎn)生一個(gè)頻率為50~70MHz的尖峰噪聲電流，這個(gè)噪聲電流是共模的，和差模噪聲相反，在直接的意義上說，不應(yīng)該影響系統(tǒng)的工作。但是在測(cè)試電源的輸出紋波時(shí)，由于示波器的噪聲抑止能力有限，采用較長(zhǎng)的接地線時(shí)，檢測(cè)出較大的噪聲紋波，一般要大出6~8dB。

這個(gè)共模噪聲的抑止方法是在DC-DC的輸入地線處接一個(gè)電容，旁路共模電流，對(duì)這個(gè)電容的安全要求是Y級(jí)的，耐壓與鋁基板的耐壓是相同的。同時(shí)高頻ESR/ESL也要盡量小，例如陶瓷、云母電容。

開關(guān)電源的噪聲簡(jiǎn)單分類示意圖如圖3所示。這里重點(diǎn)討論開關(guān)電源的電磁兼容性（EMC），其中，共模噪聲是研究和抑止的重點(diǎn)，這種形態(tài)的噪聲很難發(fā)現(xiàn)和抑止，最終又會(huì)由于電路的不平衡轉(zhuǎn)換成共模噪聲而干擾電路。圖3是設(shè)計(jì)的試驗(yàn)電路圖，VICOR公司的應(yīng)用手冊(cè)認(rèn)為共模濾波器應(yīng)該裝在模塊的輸入端，但是在要求電源紋波極小的電路中，共模濾波器裝在前端是不能滿足要求的，這樣可以抑止前級(jí)傳導(dǎo)過來的共模電流，但是不能消除在DC-DC轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的共模電流，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)應(yīng)該接在輸出端能夠得到更好的噪聲抑止效果。

由于輸出的共模電流是由電源模塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)決定的，因此減小共模噪聲更重要的是在輸出電路中注意保持電路的平衡性和使用共模濾波器。典型設(shè)計(jì)接上如圖4所示。

圖4實(shí)用開關(guān)電源輸出濾波器

L3、L4、L5、L6用于濾除共模噪聲。作為共模扼流圈的L3、L4是繞在一個(gè)磁芯上的兩組繞組，電感量一般幾百微亨至幾毫亨，其磁通方向相反，扼流圈的磁芯要求選用較難飽和導(dǎo)磁率穩(wěn)定的材料，使用時(shí)嚴(yán)格控制電流，否則較大的電流使得磁芯飽和，濾波效果大大下降。C5、C6的作用是使電路中的共模電流有一個(gè)出口可以瀉放到機(jī)殼/大地，一般選擇容值為2200~6800pF，安全級(jí)為Y，若是容值太大，在高頻下ESR變得很大，出現(xiàn)漏電，不僅降低了可靠性，而且對(duì)操作人員造成威脅。

C1、C2、C3、C4、L5、L6用于濾除差模噪聲，這里C1、C3為0.1μF的獨(dú)石電容，C2、C4為0.1μF的鉭電容，L5、L6為4.7μF。這里濾除的主要噪聲頻段位于幾千赫至10MHz。至于更高或更低頻段的噪聲它們就無能為力了。

較低的頻段采用的方法是在最靠近負(fù)載的地方加上大容量電容，最好選擇損耗小，性能穩(wěn)定的鉭電容。

推薦使用L1、L2鐵氧體磁珠濾波器，磁珠是一個(gè)對(duì)高頻有很大的損耗，對(duì)低頻和直流幾乎沒有損耗的器件，主要衰減帶位于10MHz以上，使用磁珠可以彌補(bǔ)電感、電容濾波器在高頻衰減性能上的不足。使用時(shí)要注意電流限制，超過磁珠的允許電流，導(dǎo)致磁芯飽和，對(duì)高頻噪聲的衰減能力大大下降。

對(duì)電源濾波器進(jìn)行頻譜分析可以發(fā)現(xiàn)，電源濾波器理論上應(yīng)該是一個(gè)低通濾波器，只能通過直流（f=0Hz）以及有限的低頻段，對(duì)其他頻率又有極大的衰減。實(shí)際上的電源濾波器在低頻區(qū)衰減量隨頻率增加而增加，衰減量在80~100dB達(dá)到極值，維持一個(gè)較小的頻段，衰減量又開始下降。特別對(duì)于開關(guān)電源，存在較高頻率的噪聲，這樣要求使用的濾波器在較高的頻段也要有較高的衰減量，至少在20MB有足夠的衰減。但是任何濾波器的頻率特性顯示，當(dāng)頻率升高時(shí)，衰減曲線必定下降，這主要是由于電感、電容的分布參數(shù)的影響。為了獲得較好的高頻衰減效果，可以在C5、C6接往大地處串連一個(gè)磁珠，這樣可以增加高頻衰減量，但是帶來的副作用就是低頻段的衰減量會(huì)有一定的減小。

最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電源濾波器方案應(yīng)用于多種DCDC電源模塊均能達(dá)到很好的濾波效果。

結(jié)論，本文所討論的濾波器設(shè)計(jì)雖然是基于VICOR公司出品的開關(guān)電源，但是對(duì)噪聲產(chǎn)生的分析以及消除噪聲的方法卻是具有普遍意義的，使得DC-DC電源模塊能夠用于對(duì)電源要求較高的模擬電路。