电容滤波电路的原理分析:一文读懂RLC无源滤波电路设计全过程
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【摘要】
电源电路设计中常见RC/磁珠电容滤波,两种滤波电路滤波效果有什么差异呢?本文将对RC滤波电路、磁珠电容滤波电路进行了理论分析、仿真分析,并对实际使用情况进行了频谱测量分析。最终经过分析、仿真、实测给出推荐滤波电路。
一、问题的提出电源滤波电路的目的是通过电路,将电源模块上的噪声和纹波去除掉。常用的无源滤波电路有磁珠电容滤波电路和RC滤波电路两种,两种滤波电路所使用的场合和条件不同,作用也不一样。另外,参数的选择也很关键。工程设计中大部分使用的是PI型滤波,使用较多电路如下:
这个电路的问题在于,由于磁珠和电容器件参数设置不优,对于一些在低频部分(10KHz-1MHz)噪声较大的电源,不能很好的起到电源滤波的作用。下面是使用该滤波网络的PPC模块(时钟模块)时钟输出的频谱图。可以很明显的看到在300KHz和230KHz附近有开关噪声的存在,而且其与主频之间的能量差最大为-49dB左右。该电路需要优化,否则这样送出的时钟作为高速信号的参考时钟是存在误码风险的。
二、解决方法1、理论分析
(1)RC滤波电路
RC滤波电路的模型如下:
电路上的方程为:
其中
代入得到:
对上面的公式两边取拉式变换得:
系统的传递函数是
幅频曲线
其波特图的斜率是-20dB
当w=1/RC时,为其-3dB的截止频率,即f=1/(2πRC)
(2)磁珠电容滤波电路
再来看看磁珠电容滤波电路的情况,这里的L选取的是磁珠,电感由于所占的体积较大,不适合电路普遍推广,电感可在有特殊需求的场合下使用。
磁珠可看做是一个LRC并联的系统,低频段显现的是感性,中频段显现的是阻性,高频段显现的是容性。
为了电路的分析方便,磁珠我们暂时只把它当做电感和直流等效电阻串联的模型。整个LC滤波电路电路的模型如下:
该模型的传递函数与幅频曲线的推导过程可参见相关书籍资料,本文直接使用推导的结论:
wmax为出现极值点的频率,及幅频曲线极大值时的频率。L为磁珠的感抗值C为滤波电容值,r1为磁珠的直流等效电阻,r2是电容的直流等效电阻。幅频函数如下:
可以看出,wmax,与LC相关,同时与r1与r2相关,在L和r1值确定的情况下,C越大,r2值越大,wmax最小。
在L和r1确定的情况下,C越大,r2值越大,越小,超调量越小。
2、仿真分析
磁珠电容滤波电路的情况,原始电路模型如下:
仿真的幅频曲线如下:
f-3dB=44.5kHz,增益峰值为6.75 dB 其在300kHz的幅值是-38dB。
根据理论分析的结果,提高电容的C值与电容对应的ESR的值,可以使wmax减小,在wmax值处的超调量减小
我们加入了大ESR的10uf的钽电容进行仿真分析,使用的电路模型是
仿真的幅频曲线如下:
f-3dB=39.5kHz,增益峰值为1.112 dB其在300kHz的幅值也是-38dB。
从上面两图对比来看,加入了大ESR,大电容值的阻尼电容,确实使得峰值的频率由44.5kHz转移到39.5kHz,增益的峰值也由6.75 dB降为了1.112 dB。但是在300kHz附近的幅频曲线的幅值变化不大,都在-38dB左右。
对RC的情况进行仿真,电路模型如下:
仿真的幅频曲线结果如下:
与理论计算结果基本一致,f-3dB=7.233kHz,其在300kHz的幅值是-32dB
后面实测发现,使用1欧姆的电阻,如果电路电流过大,会导致在电阻上的压降过大,引起电路不稳定。采用了改进的RC电路,将电阻阻值设置为0.15欧姆,电容C设置为较小ESR的100uf陶瓷电容。电路模型如下:
仿真的幅频曲线结果如下:
与电阻采用1欧姆,电容采用22uf的仿真情况基本一致。
3、实验结果
磁珠电容滤波电路的改进措施:在磁珠后并联一个大ESR(0.55欧姆),大容值(100uf)的普通钽电容,测得的频谱如下,将300kHz左右的开关噪声由-49dB降低为-63dB,减小的幅度为14dB。其他频率的噪声也有较大的衰减。
RC的改进措施:将磁珠更换为电阻,改原来的LC滤波为RC滤波。开始使用的电阻阻值为1欧姆,但是1欧姆的电阻串联在电路中是很不妥的,不能用于较大电流(百mA级)电路,因此需要使用较小阻值的电阻(0.15欧姆)。为了达到较好的滤波效果,与0.15欧姆电阻配合使用时,我们使用低ESR的陶瓷电容,容值为100uf。
测试的幅频曲线如下:将300kHz左右的开关噪声由-49dB降低为-73dB,减小的幅度为24dB。其他频率的噪声也有较大的衰减。
可以看出实测使用RC电路的效果要比使用LC电路的效果要好,但是仿真时候结果是LC的电路在300kHz时的幅值为-38dB,RC电路在300kHz时幅值为-29dB。这可能与仿真的模型与实际情况有偏差有关:
(1)实际电路除了仿真的主电容外,还有其他容值的电容,会对实际电路的最后结果产生影响。
(2)磁珠是个较为复杂的器件,其受到温度影响较大;使用仿真的模型也不能完全将其特性反映出来。(真实原因是什么呢?其实我也想知道(* ̄︶ ̄))
三、总结1、低频滤波电路适合使用RC电路。因为小封装的磁珠电感值较小,对低频不能起到很好的滤波效果;RC电路易于实现,对低频的效果很明显。
2、高频滤波电路适合使用有磁珠的LC电路。因为磁珠在高频中就扮演着高频电阻的作用,能够有效的滤除高频杂音成分。但从实际测量的相噪中可以看出,RC电路与LC电路在高频部分的底噪相差不大,这是由于主电容外的其他容值的小电容起作用的结果。
3、使用RC电路与使用有磁珠的LC电路都应该注意压降的问题。RC电路尤其要注意,不能将该滤波电路放置在有大电流的电路。因为RC电路本身会耗能,并且效率较差,且要注意电阻所能承受的功率。比如上面使用的0.15欧姆的电阻,其所能承受的功率为1/8瓦,换算成电流为不超过900mA。
4、推荐电路如下:
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