基于模块电源增加外围器件实现降噪的设计

引言
基于电源模块的低噪声二次电源设计通常分为以下几个部分：浪涌抑制，输入共模、差模滤波以及输出共模、差模滤波等。下面将进行具体介绍。
1.浪涌抑制电路

浪涌电流( Inrush Cur r ent ) 是当一个电源开启时产生的尖峰电流( Spi ke of Cur r ent )。由于EMI 滤波器输入线路端包含了一些电容，同样DC- DC转换器在输入和输出端也含有电容，负载端还有可能含有其它的附加电容，浪涌就是由这些电容充电引起的。图1 是一个典型的浪涌电流波形，它有两个尖峰，第一个“浪涌尖峰”的电流峰值是输入电压电源( Input Volt age Sour c e) 启动时产生的，而第二个电流峰值则是DC-DC转换器启动时产生的。
本文设计浪涌抑制采用了图2 的方法。这个电路在电源端负极使用一个MOS场效应管(MOSFET) 器件Q1。其具体工作过程为：Q1 通过R2 拉低其门限电压，通常它是断开的。当施加输入电压时，通过R1 为栅极充电，Q1 的充电时间和开启时间将由于C1的存在而减慢，可以选用R1 和C1 来为输入电容缓慢充电来限制浪涌电流。在输入电容充好电后，Q1 栅极将会充电，直至被齐纳稳压二极管( zene r ) 限制，然后Q1 将保持完全开启。这样，就完成了浪涌的抑制。
 
 
2.输入滤波器设计
输入滤波器包括共模滤波和差模滤波两部分，如图3 所示。因为DC- DC转换模块一般先把直流转换为高频交流，再把高频交流转换为稳定直流，所以在这期间容易形成各种噪声，在输入端表现为传导噪声和辐射噪声。输入滤波电路的主要作用是减小输入噪声，阻止二次电源向输入电源反馈的噪声。输入滤波器一般由共态扼流圈L1 、跨接线路电容C1、C4 以及线路高通滤波电容C2、C3 组成。
 
其中，L1 用于滤除低频共模噪声，它的磁芯一般采用高频铁氧体磁性材料。由于铁氧体磁性材料没有涡流的影响，高频率仍能保持较高的导磁率。但是，它的缺点是弱磁场容易饱和。所以，L1 在绕制时采用双线并绕的方式，即在一个闭合磁路的磁芯上绕制相同电感量的两个绕阻，电源电流经两个绕阻产生相反磁通，相互抵消，防止磁芯饱和。对于共模噪声，互感系数产生的磁通相互增强，即电感量增强，这样能很好的抑制共模噪声。L1的共模扼流圈的电感量一般由所要抑制的噪声电平的下限频率( DC-DC转换模块的基波频率) 确定，下限频率越高，所需的电感量就越小。
跨接线路电容C1、C4 主要用于滤除差模噪声。C4 一般选取0. 1 ～ 1. 0uF的低阻抗无极性瓷片电容。C1 除滤波作用外，当输入电压由于某种原因出现瞬间跌落或浪涌时，也为二次电源提供一定时间的维持电压。C1 一般选择等效串联电阻较低的电解电容。该电容的耐压应大于1. 3 倍的最大输入电压，最小容量则由公式( 1) 估算：
C(pF) = 400 ／最小输入电压( V)             ( 1)
线路高通滤波电容C2、C3 用于滤除高频共模和差模噪声。需要采用等效串联电感(ESL) 值较小的高压两端子或三端子电容。三端子电容器的滤波效果非常好，原因是电容的高电位端接有输入、输出两根引线，高电位端有剩余电感，此电感作为T 型低通滤波器的电感，可有效利用它作为滤波元件。另外，为了更好的发挥作用，C2、C3 最好放在紧靠DC- DC转换模块的电压输入端。
3.输出滤波器设计
二次电源的输出滤波器和输入滤波器基本一致，主要是滤除共模噪声和差模噪声，如图4 所示：
 
值得一提的是，实际工程项目要求输出纹波比较小，采取以上滤波电路一般不能满足要求。为了满足低纹波的要求，一般将输出滤波电路设计为两级滤波，电路原理如图5 所示：
 
改为两级滤波后传递函数由两阶变为四阶，合理的对电感和电容进行取值，在保证系统稳定的情况下使纹波衰减更大。