关于滤波器净化开关电源噪声的研究和分析

与传统低压差稳压器（LDO）相比，开关电源（SMPS）的高效优势显而易见。但也因其开关特性，开关电源在开关频率和谐波处会产生噪声。对于输出电压纹波大于1-2mV的应用，可以采用低ESR陶瓷电容的单级电容滤波器。本文首先给攻城狮们介绍如何合理设计单级滤波器，最大限度改善输出噪声。

单级滤波器设计

图1：同步降压调节器的连续导通模式（CCM）

为了最大限度地降低输出电压纹波，我们假设Buck降压变换器工作在连续导通模式（CCM）。满足电感电流纹波要求的最小电感量可通过以下公式计算得出：

其中，

VIN 和 VOUT分别代表输入和输出电压，

D = VOUT/ VIN 代表占空比，

IL,p--p代表电感电流纹波峰-峰值，通常按输出电流的20-40%来估算。

fSW代表开关频率。

在稳态下，电容在一个开关周期内的净电荷为零。图1阴影区域的电容电荷计算公式为：

其中，T为开关切换周期。

根据定义，给定周期内的电容电荷也可表示为：

公式（2）代入公式（3），满足输出电压纹波峰-峰值（VOUT,p--p）所需的最小电容为：

在理想情况下，并联更多的输出电容可以降低对地的高频阻抗，从而减小输出纹波。而实际上，输出电容器是横放在印刷电路板上的，如果在印刷电路板上增加过多的输出电容，会给并联电路增加额外的寄生电感和交流电阻，旁路开关噪声的效果逐渐变差。

仿真实例

MPS公司的电源模块产品 -- MPM3833C，通过集成电感，大大简化了电源转换设计，典型PCB布局如图2所示。

图2：MPM3833C电源模块典型PCB布局

其中，输出功率路径进行了大面积铺铜，可以最大限度地降低功率损耗。随着放置在输出平面上的电容器越来越多，附加电容器与电源模块输出引脚之间的距离也越来越大。因此，在离电源模块较远的输出电容中，会产生更多的寄生电感，使得输出电容的作用越来越小。最终远端电容的高频对地回路以寄生电感为主。

为了验证回路中寄生电感的影响，本文利用Simplis对MPM3833C进行了不同的输出电容仿真演示。图3展示了只用一个22µF输出电容的输出纹波。可以看出，输出电容的确可以降低输出纹波。在5V输入，1.2V 输出和2A 负载时，输出纹波约为3mV。

图3：用一个22µF输出电容的MPM3833C所产生的输出纹波

图4：MPM3833C输出电压纹波对比图

为了进一步降低输出电压纹波，可以在输出端再增加一个22µF的输出电容。由于新增的电容器必须放置在离电源模块更远的地方，假设每个增加的输出电容将向回路引入0.5nH的寄生电感，则新增电容器所引入的寄生电感为1nH。

图4a给出了四个22μF输出电容的输出电压仿真波形图，输出电压纹波只降到2mV。与图3所示的波形图相比，一个22μF输出电容器可将输出电压纹波有效降至3mV，而四个 22μF输出电容器的效果其实并不明显。图4b显示5x22μF电容器的输出电压纹波。与使用4x22µF的情况相比，再多增加一个电容器后，能改善输出纹波峰峰值作用微乎其微。

从图3和图4的演示可知，PCB上添加的电容器越多，PCB铺铜或走线所产生的寄生电感就越多。最终，增加更多电容器的作用被回路中不断增加的附加寄生电感所抵消。

采用低ESR陶瓷电容的单级电容滤波器，可以满足输出电压纹波大于1-2mV的应用。但是对于像RF ADC和 DAV这样的应用，其纹波要求小于1mV。无法用单级滤波电路满足应用要求。