如何通过电路设计降低电能质量在线监测装置中的纹波？

通过电路设计降低电能质量在线监测装置的纹波，核心逻辑是 “分频段抑制纹波生成→阻断纹波传播路径→优化敏感部件供电”，针对开关电源 PWM 高频噪声（100kHz~1MHz）、线性电源工频低频噪声（50/100Hz）及电路间耦合噪声，设计 “多级滤波 + 隔离防护 + 反馈优化” 的系统性方案，确保纹波最终控制在 A 级装置≤5mV（常温）、≤15mV（高温）的标准范围内。以下是具体电路设计方法，含原理、参数选型及工程细节：

一、核心设计 1：多级滤波电路 —— 分频段抑制纹波（占纹波抑制效果的 70%）

纹波的频率特性差异大（低频 50Hz~ 高频 1MHz），需通过 “前级粗滤 + 中级精滤 + 后级残留滤除” 的多级架构，覆盖全频率范围，避免单一滤波无法兼顾高低频的问题。

1. 第一级：开关电源输出端 —— 粗滤高频 PWM 噪声

开关电源是高频纹波（100kHz~1MHz）的主要来源，需在其输出端设计LC 低通滤波，利用电感 “阻高频、通低频” 和电容 “通高频、隔低频” 的特性，抑制 80% 以上的高频纹波：

电路拓扑：电感（L1）串联 + 电容（C1）并联，形成 “π 型前级滤波”（或单 LC 滤波，空间受限场景）；

元件参数选型：

电感（L1）：选择高频铁氧体电感（如 TDK SLF12580T 系列），感值 10μH~100μH（开关频率 500kHz 选 10μH，100kHz 选 100μH），直流电阻（DCR）≤0.1Ω（减少功率损耗），饱和电流≥1.5 倍额定负载电流（如 1A 负载选 1.5A 饱和电流）；

电容（C1）：选用低 ESR 固态电容（如 Panasonic SP-Cap ERZ 系列），容量 100μF~470μF（1A 负载配 100μF），耐压值≥1.5 倍输出电压（如 5V 输出选 10V 耐压），ESR≤10mΩ（高频下 ESR 越小，滤波效果越好）；

工程细节：电感需靠近开关电源输出端，电容需紧贴电感后端，减少走线电感（走线电感会削弱高频滤波效果，建议走线长度≤10mm）。

2. 第二级：中间级 —— 精滤中频纹波（1kHz~100kHz）

前级 LC 滤波后仍会残留中频纹波（如反馈环路噪声、电感寄生电容噪声），需设计π 型滤波（电容 + 电感 + 电容）进一步抑制：

电路拓扑：C2（并联）→ L2（串联）→ C3（并联）；

元件参数选型：

C2/C3：选用多层陶瓷电容（MLCC，X7R 材质），容量 10μF~22μF，ESR≤5mΩ（高频特性优于电解电容），用于滤除 10kHz 以上中频纹波；

L2：选用叠层电感（如 Murata LQM18NN 系列），感值 1μH~10μH（根据中频纹波频率选择，10kHz 选 10μH，100kHz 选 1μH），DCR≤0.5Ω（避免电压跌落）；

适用场景：若装置需给多模块供电（如 CPU + 通信模块），可在各模块电源入口前增加此级滤波，避免模块间纹波交叉干扰。

3. 第三级：敏感部件前端 —— 滤除残余纹波（≤1kHz）

ADC、参考电压源（如 REF5040）等敏感部件对纹波极敏感（要求≤5mV），需在其电源入口设计残留滤波，重点抑制低频纹波和高频噪声：

电路拓扑：磁珠（FB1）串联 + 小容量电容（C4/C5）并联；

元件参数选型：

FB1：选用高频磁珠（如 TDK BLM18PG 系列），阻抗≥100Ω（100MHz），用于吸收 10MHz 以上超高频噪声（如空间耦合的电磁干扰），且直流电阻≤1Ω（避免压降）；

C4/C5：C4（1μF MLCC）滤除 1kHz~10kHz 低频纹波，C5（0.1μF MLCC）滤除 100kHz 以上高频残留，两者并联可覆盖更宽频率范围；

关键细节：此级滤波需 “紧贴敏感部件电源引脚”（走线长度≤5mm），且单独供电（不与其他部件共享电源线），避免其他部件的纹波耦合进来。

二、核心设计 2：电路隔离 —— 阻断纹波传播路径

装置内 “功率电路（如电源模块、继电器驱动）” 与 “信号电路（如 ADC、CPU）” 的纹波会通过 “接地、电源线、空间耦合” 传播，需通过接地隔离、电源隔离、信号隔离阻断传播路径。

1. 接地隔离：避免地环路纹波耦合

地环路是纹波传播的主要路径（如功率地的噪声通过地平面耦合至信号地），需设计 “分区接地” 方案：

接地拓扑：采用 “单点接地”，将接地分为 “功率地（PGND）” 和 “信号地（SGND）”：

功率地：连接开关电源、电感、大功率电阻等产生纹波的元件，单独形成地平面，面积≥20cm²（增强散热和噪声吸收）；

信号地：连接 ADC、CPU、参考电压源等敏感元件，单独形成小地平面（面积≥5cm²），且仅通过 “单点”（如电源入口处的 0Ω 电阻或磁珠）与功率地连接，避免形成地环路；

工程细节：PCB 设计时，功率地与信号地之间预留≥2mm 隔离带，且信号地平面不跨越多层板过孔（过孔会引入接地阻抗，导致纹波耦合）。

2. 电源隔离：避免模块间纹波交叉干扰

若装置需同时给 “高纹波模块（如继电器驱动）” 和 “低纹波模块（如 ADC）” 供电，需通过隔离电源模块实现供电隔离：

电路方案：采用 DC-DC 隔离模块（如金升阳 HLK-5M05，输入 5V→输出 5V，隔离电压 3kV），将高纹波模块与低纹波模块的电源完全隔离；

参数要求：隔离模块的输出纹波≤10mV（峰峰值），负载调整率≤±1%（确保负载变化时纹波稳定）；

适用场景：新能源场站装置（如光伏监测装置）中，逆变器的高频纹波易通过电源线耦合，需用隔离模块保护 ADC 供电。

3. 信号隔离：避免外部信号引入纹波

通信接口（如 RS485、以太网）可能从外部引入纹波（如电网波动通过信号线耦合），需设计信号隔离：

RS485 接口隔离：采用 “隔离芯片 + 隔离电源” 方案，如 ADUM1400（数字隔离芯片，隔离电压 2.5kV）+ B0505S（5V 隔离电源），将 RS485 信号与 CPU 信号完全隔离，避免外部纹波通过信号线进入 CPU 电源；

以太网接口隔离：选用带隔离的以太网芯片（如 W5500 + 隔离变压器，如 Pulse H1102），隔离变压器耐压≥1.5kV，抑制共模纹波干扰。

三、核心设计 3：反馈环路优化 —— 减少纹波生成

开关电源 / 线性稳压器的反馈环路若设计不当，会因 “调整过度” 产生额外纹波（如 PWM 控制芯片的振荡噪声），需通过优化反馈环路参数降低此类纹波。

1. 开关电源反馈环路优化

反馈电阻选型：选用高精度金属膜电阻（如 Vishay MFR 系列），精度 ±0.1%，温度系数≤20ppm/℃，避免温度漂移导致反馈电压偏差（偏差会使输出电压波动，产生纹波）；

补偿网络设计：在反馈引脚（如 TL494 的 COMP 引脚）增加 RC 补偿网络（Rc=1kΩ~10kΩ，Cc=1nF~10nF），优化环路带宽（使环路带宽≤开关频率的 1/10），减少 PWM 振荡噪声（振荡会导致输出电压纹波增大）；

示例：TL494 开关电源（50kHz），补偿网络选 Rc=4.7kΩ、Cc=4.7nF，可将反馈环路振荡噪声从 20mV 降至 5mV 以下。

2. 线性稳压器（LDO）反馈优化

选择高纹波抑制比（PSRR）的 LDO：如 ADI ADP1755（PSRR≥80dB@1kHz），其内部反馈环路的高增益可抑制输入纹波（输入纹波 100mV 可输出纹波≤1mV）；

反馈分压电阻布局：LDO 的反馈分压电阻（如 R1/R2）需紧贴 LDO 输出端，避免走线电阻引入的噪声（走线电阻会导致反馈电压不准确，产生纹波），建议走线长度≤5mm，且采用等宽铜箔（减少阻抗偏差）。

四、核心设计 4：敏感部件专属供电 —— 最小化纹波影响

ADC、参考电压源等敏感部件是决定装置测量精度的核心，需为其设计 “专属供电链路”，确保纹波最低：

1. ADC 专属供电：两级 LDO + 残留滤波

ADC 的参考电压和采样信号对纹波要求极高（需≤5mV），需设计 “前级 LDO + 后级 LDO + 残留滤波” 的供电方案：

电路拓扑：开关电源→ LDO1（如 LM1117-5V，PSRR≥60dB）→ LDO2（如 ADP1755-3.3V，PSRR≥80dB）→ C4/C5/FB1（残留滤波）→ ADC；

设计原理：

LDO1 将开关电源输出的 10mV 纹波抑制至 2mV；

LDO2 进一步将 2mV 纹波抑制至 0.5mV；

后级残留滤波滤除空间耦合噪声，最终 ADC 供电纹波≤1mV；

元件选型：LDO2 需选择低输出噪声型号（如 ADP1755 输出噪声≤15μVrms），避免 LDO 自身噪声叠加。

2. 参考电压源供电：独立滤波 + 屏蔽

参考电压源（如 REF5025，输出 2.5V）是 ADC 量化的基准，其纹波会直接转化为测量误差，需设计：

独立供电：从 LDO2（3.3V）单独引出电源线，不与 ADC 其他电路共享；

滤波电路：在参考电压源输入端并联 1μF MLCC（C6）和 0.1μF MLCC（C7），输出端并联 10μF 钽电容（C8，低温特性优于 MLCC），抑制高低频纹波；

屏蔽设计：若 PCB 空间允许，可在参考电压源周围设计金属屏蔽框（如黄铜材质，接地），阻断空间电磁干扰导致的纹波。

五、工程设计细节：避免寄生参数放大纹波

电路设计的寄生参数（如走线电感、过孔电感）会削弱滤波效果，需通过以下细节优化：

减少走线电感：电源走线尽量短（≤20mm）、宽（≥2mm），采用 “铺铜” 代替细走线（铺铜的电感远小于细走线）；

控制过孔数量：敏感电路的电源线避免过孔（每个过孔引入约 0.1μH 电感），若必须使用，采用 “2~3 个过孔并联” 降低等效电感；

电容布局：滤波电容的引脚需紧贴 PCB 焊盘，避免 “飞线”（飞线电感会导致高频纹波滤除失效），建议电容与芯片电源引脚的距离≤5mm；

避免平行走线：功率线与信号线避免长距离平行走线（平行长度≤10mm），若交叉需垂直交叉，减少电容耦合导致的纹波传播。

总结

通过电路设计降低纹波的核心是 “分频段精准滤波 + 全路径隔离阻断 + 敏感部件专属保护”：前级 LC 滤波抑制高频 PWM 噪声，中间 π 型滤波精滤中频纹波，后级残留滤波保护敏感部件；同时通过接地 / 电源 / 信号隔离阻断纹波传播，优化反馈环路减少纹波生成，最终实现 “开关电源输入→敏感部件供电” 的全链路纹波抑制。该设计方案可将 A 级装置的纹波控制在常温≤5mV、高温≤15mV，完全满足 GB/T 19862-2016 对电源适应性的要求，确保装置测量精度稳定。