Vicor 的电源模块赋能全球最先进的全电动工作级水下机器人（eWROV）
Saab UK 推出多功能且环保的 eWROV，使用紧凑、高热效能的电源模块实现世界级的性能
首席应用工程师 Jonathan Siegers 和应用工程师 Vamshi Domudala 撰写的教程
如何设计模块化 DC DC 系统，第 2 部分：滤波器设计
本系列 上一篇教程 重点介绍了使用电源模块设计电源系统的性能、灵活性和速度优势，然后概述了模块化设计流程。模块化设计策略非常强大，但它需要在供电网络 (PDN) 中使用支持电路，才能形成完整的电源系统。本系列教程的第 2 部分解决了第一个 PDN 问题：在开关 DC-DC 模块的输入输出端过滤电气噪声。
降低开关转换器噪声需要的完整电源系统滤波元件。
降低开关转换器噪声需要的完整电源系统滤波元件。
输入噪声来源
分布在 PDN 中的 DC-DC 转换器及寄生电路元件的开关作用会导致两类必须过滤的噪声电流：共模和差模。
共模噪声源于转换器内部的高压开关节点，通过寄生电容耦合至 EMI 接地基准。这种噪声从转换器的正负极输入端同步传出，通过系统的接地基准闭合。转换器的开关作用也会产生差模噪声，但只在转换器输入端之间的回路中传播。
EMI 输入干扰问题及解决方案
如果不加以控制，这种噪声会在电源系统中引发一系列问题。下图显示了两个与 DC 电源共享一个通用耦合点的 DC-DC 转换器，以及通常对噪声非常敏感的控制及通信系统。DC-DC 转换器产生的、在 PDN 中循环的噪声，不仅会导致系统运行的不稳定性，而且还会对共用回路的相邻系统的整体性能产生不良影响。
来自转换器的噪声传播到模块外，可能会对控制及通信系统造成严重问题。
来自转换器的噪声传播到模块外，可能会对控制及通信系统造成严重问题。
添加至该系统的输入滤波器可局部避开开关转换器的噪声，以便噪声只在滤波器和 DC-DC 转换器之间循环，从而可减少对连接到同一电源的其它系统的干扰。该滤波器也在相反的方向工作，这可降低 DC-DC 转换器对外源噪声的敏感性。
开始在系统中设计滤波器时，首先要注意的是，特定应用的滤波可能必须符合多个国际机构针对电磁兼容性 (EMC) 和 EMI 制定的特定电磁兼容性标准。标准可能因行业和应用的不同而有很大的差异；例如，国防应用合规性与汽车应用的合规性差异很大。
噪声抑制技术需要几款分立元件来有效滤除共模及差模噪声电流。共模滤波通常使用共模扼流圈实现，其可为共模电流形成高阻抗串联通道，使其沿正负输入端流出转换器。共模扼流圈与 Y 型电容器一起工作，其可为共模噪声形成一个通往 EMI 接地的分流路径，如下图所示。
过滤共模和差模噪声的系统分立元件组件。
过滤共模和差模噪声的系统分立元件组件。
差模元件包括 X 型电容器和串联差分电感器，可执行类似功能。这可确保为来自转换器的差模噪声提供一个高阻抗的串联路径，为噪声电流提供一个低阻抗的分流路径，以局部闭合至转换器。
将噪声电流路由至接地时，可能会通过信号和电源接地的错误连接将电源组件的噪声耦合到控制组件中。DC-DC 转换器传播的高频率噪声在通过跟踪寄生效应耦合到信号组件中时，会影响低功率控制信号，进而导致工作的不稳定性。要阻止电源电流流过信号接地，只能将信号接地与电源接地连接在一个点上。
滤波器拓扑
虽然构建滤波器拓扑有几种不同的方法，但本教程只介绍更常见的滤波器二阶响应，第一个是简单的电感器和电容器。下图是无阻尼 LC 滤波器对截止频率每 10 倍变化的 -40dB 二阶衰减的响应。无阻尼 LC 滤波器通常不是合适的解决方案，因为它们的特征共振在转折频率处。如果没有适当的阻尼，这种滤波器拓扑就会在共振附近放大频率范围内的噪声。有几个阻尼策略可供考虑：首先是电阻器与电感器并联的简化串联阻尼滤波器电路。转角频率处的阻尼要好很多，但它是以降低高频率衰减为代价的，因为在滤波器的频率响应中增加了一个零。
与在 -40dB 位置显示二阶衰减的系统中的无阻尼 LC 滤波器相比，有 3 种阻尼方案。
与在 -40dB 位置显示二阶衰减的系统中的无阻尼 LC 滤波器相比，有 3 种阻尼方案。
第二种更好的方法是增加一个电感器，有选择地将阻尼电阻应用到电路中，保持二阶滤波器与谐振频率附近改进的阻尼的响应。然而，这种方法对转角频率会有轻微的改变。第三种选择是增加一个并联的 R-C 阻尼支路，这可显著增加滤波器转角频率附近的阻尼。
输出滤波器设计
要设计输出滤波器，首先要定义应用容许的输出电压纹波大小。接下来，请考虑负载电流的动态，包括高 di/dt 负载瞬态。在处理高动态负载的 DC-DC 系统设计的几个部件中，由于其串联电感的原因，提供该负载的转换器输出滤波器具有最直接的影响。定义负载的最大 di/dt 值之后，就可以为系统中使用的电感器最大值设定限制。以下方程式用于确定负载 di/dt 中的电感值因数以及瞬态过程中允许通过该电感器的最大压降，即负载位置的低线路输入工作电压。
接下来，选择合适的电感器后，根据纹波以及输出端需要的衰减量来确定滤波器的截止频率。可用以下方程式，根据这些信息，求出电容值：
物理属性与实施注意事项
DC-DC 开关转换器当前的工作频率非常高，高到设计布局中的寄生电容和电感可对转换器系统中的滤波器整体性能产生很大影响。
一般来说，在实际布局中，EMI 滤波器应该靠近转换器本身。下图是滤波电容直接布置在输入端的 DC-DC 转换器。由于接近转换器，因此噪声电流在局部循环。如果允许噪声电流在更大的空间内循环，环路路径很容易成为高频率天线，将噪声辐射到电路的其它部分，完全抵消了增加滤波器的优势。因此，串联滤波器元件和分流滤波器元件都应该尽量靠近 DC-DC 转换器，限制环路的尺寸，以免出现高频率和高 di/dt 电流。
PCB 布局注意事项包括将滤波器组件布置在接近 DC-DC 转换器的位置（左）。将铜箔层分开，以免出现电容耦合，这允许噪声电流绕过高阻抗滤波器组件（右）。
PCB 布局注意事项包括将滤波器组件布置在接近 DC-DC 转换器的位置（左）。将铜箔层分开，以免出现电容耦合，这允许噪声电流绕过高阻抗滤波器组件（右）。
PCB 的布局也很重要。要注意携带噪声电流，使其整体电感和电阻最小的迹线，这样在高频率下，它们就不会因为其阻抗而形成明显的电压。
此外，在 PCB 上布置各层，可以避免形成允许耦合效应绕过滤波元件的寄生电容。例如，如果定义滤波器电感器终端连接的铜箔层靠得太近，寄生电容将允许高频率电流绕过高阻抗电感器。最好是将铜箔层分开，以减少高串联阻抗组件周围的寄生电容。
这个概念同样也适合共模扼流圈。在共模扼流圈周围保持一个隔离区域，以防止将绕过滤波器组件的寄生电容。
在波动的环境或应用相关条件下，滤波组件的性能可能变化很大。例如，2 类介质陶瓷电容器的有效值随应用的 DC 偏置电压的变化非常明显。下面的 DC 偏置特征图在一个尺寸为 1206 的 MLCC 组件上演示了这种效果；在应用偏置电压为 50V 时，有效电容可降低 74%。有效电容的这一变化将增加滤波器的转折频率，从而可降低在高频率下实现的衰减。
DC 偏置特征（左）和温度特征（右）：电压和温度对有效电容的影响是滤波器设计的重要考虑因素。DC 偏置特征可显著改变村田 2 类介质陶瓷电容器的电容（左），在额定温度范围的极端温度下，电容明显降低（右）。数据来源：村田制造有限公司
DC 偏置特征（左）和温度特征（右）：电压和温度对有效电容的影响是滤波器设计的重要考虑因素。DC 偏置特征可显著改变村田 2 类介质陶瓷电容器的电容（左），在额定温度范围的极端温度下，电容明显降低（右）。数据来源：村田制造有限公司
此外，工作温度对有效电容也有明显的影响。以上温度特征图显示，同一示例电容器工作在其额定工作温度范围的极端温度下时，有效电容会锐降 20%。DC-DC 模块的稳定滤波解决方案必须在系统的整个预期工作范围内考虑预期组件变化的影响。
总结
将输入滤波器集成到系统中，将会为整体系统稳定性带来更大的挑战。本系列 下一篇教程 将讨论系统设计的这个方面。
