关于滤波器净化开关电源噪声的性能分析和介绍

但对于像RF ADC和DAC这样的应用，其纹波要求小于1mV，则需使用两级 LC 滤波器来有效过滤开关噪声。

第二级滤波器设计

第二级LC滤波器的典型电路如图1所示。

第二级滤波器由一个滤波电感及其内阻（DCR）、一个对地电容支路和一个阻尼支路组成。滤波电感（Lf）在设计的高频范围内具有电阻，并以热量的形式耗散噪声能量。该电感与附加的并联电容结合形成低通LC滤波器网络。

图1：带并联阻尼支路的两级LC滤波器

合理设计第二级滤波器能有效降低输出电压噪声。针对工作频率来选择LC滤波器至关重要。设计的第一步是根据公式（1）选择第一级输出电容器。

在第一极的设计中，典型的输出电压纹波一般为5mV至10mV，通常选用10-22μF电容就足够了。为保证系统的稳定性，第一级的电容容量（COUT）必须小于第二级的旁路电容（C1）。

一旦确定了第一级电容器并给出了特定频率下规定的输出电压纹波，第二级LC滤波器所需的衰减可确定为：

其中，V1,p--p代表输出电容器的电压纹波峰-峰值，Vo,p--p代表第二级滤波器之后的输出电压峰-峰值。

使用相量分析，LC滤波器增益的振幅可通过以下公式计算：

阻尼支路由一个大电阻和电容串联组成，其阻抗在开关频率下比对地支路大得多。因此，图1所示的滤波器可等效于一个二阶RLC滤波器。滤波器的截止频率为：

滤波电感的DCR不仅增加功耗，而且降低输出电压的精度。随着直流电流的增大，电感的磁芯材料会逐渐饱和，从而导致电感量下降。因此，电感应选择DCR最小，且确保额定直流电流下的电感量足够高。通常，可以选择电感值为0.22µH到1µH的电感来实现所需的输出纹波。

第二级LC滤波器是一个二阶滤波器，在截止频率之后每十档衰减40dB。可根据以下公式估算出其在给定频率下的衰减：

根据公式（5）计算出的衰减，可使用以下公式计算出所需的截止频率：

可计算出所需的对地支路的电容值（C1）：

陶瓷电容器由于超低ESR和ESL的特点，可作为旁路电容使用。但在直流偏压下，陶瓷电容器的电容额定值会发生显著下降。

图2给出了额定电压为6.3V的Murata 0805陶瓷电容器的直流降额曲线。如图所示，在满额直流偏压下，电容值降到额定值的20%。考虑降额因素，旁路电容额定耐压应大于输出直流偏压。

图2：DC偏置下的典型陶瓷电容降额曲线

阻尼设置

若第二级LC滤波器的阻尼不合适，可能会出现谐振。滤波电感与旁路电容之间的谐振会放大输出纹波，在负载瞬态时还会产生振铃。

图3a显示了第二级LC滤波器的欠阻尼变换器系统的输出电压。起初，系统在稳态下运行。当t=200µs时，负载瞬态从1A变成2A，引起输出电压振铃。图3b显示过阻尼二级滤波器负载瞬态下的输出电压和电流。

为避免在负载瞬态时产生振铃，第二级LC滤波器谐振必须得到适当的抑制。在大多数设计中，第二级滤波器会放置在控制回路之外，以避免控制回路不稳定。因此，阻尼必须使用无源元件（附加阻尼电阻）。

图3：瞬态响应

滤波电感DCR向网络提供阻尼。然而，为了能向串联RLC电路提供足够的阻尼，串联电阻必须满足

。大部分情况下，DCR无法独自提供足够的阻尼。为此，将RC阻尼网络与旁路电容并联，即可与DCR电阻一起组成阻尼谐振电路。

设计实例

图4：MPS公司的EVRF0102-A超低噪声电源模块

MPS公司的EVREF0102A，是一款采用了五个集成电感的高效降压开关电源模块，为高速数模变换器提供超低噪声的“纯净”电源。MPM3833C是一款6V、3A、超小型降压电源模块；MPM3683-7是一款16V、8A电源模块。两款电源模块都集成保护功能，包括OCP、OVP、UVP和OTP。与传统的LDO解决方案相比，EVREF0102A将效率提高了80%。

EVREF0102A模拟电源模块采用强制连续导通工作模式（CCM）和后无源滤波器，实现了超低噪声水平，可以满足高速数模变换器规范。其中，最敏感的ADC和DAC电源使用CLC无源滤波器，其他电源使用电容滤波器。

MPM3833C电源模块用来为ADC_AVCC电压轨供电。MPM3833C内部集成了一个1μH的功率电感，通过公式LMin= [(VIN - VOUT)D] / IL,p-pfSW，可计算出电感在5V输入和0.925V输出时的电流纹波为0.63A。再基于公式CMin = IL,p-p / 8fSW ∆VC,p-p选择第一级输出电容器为22µF，为第二级滤波器提供3mV的电压纹波。

第二级LC滤波器的所需增益由公式A0,dB = 20log( V0,p-p / V1,p-p)确定为-30dB，在开关频率下可实现120μV的输出电压纹波。考虑到尺寸和额定电流，选择具有足够额定电流的0.24μH Murata芯片电感DFE201612E-R24。ADC和DAC电源要求超低噪声频率范围高达15MHz。为了提供足够的衰减裕度，第二级滤波器的截止频率选择为25kHz，滤波电容器选择150µF。这种设计虽比较保守，但能提供足够的裕度。阻尼电容选用100mΩ ESR 的SP电容器。鉴于SP电容的串联电阻足够高，因此无需添加外部电阻来增加阻尼。

EVREF0102A输出噪声测量的FFT结果如图5所示，开关频率处的峰值噪声被降至14μV。

图5：EVREF0102中ADC_AVCC电源的输出噪声测量