電源濾波技術(shù)

電源濾波技術(shù)摘要良好的電源濾波技術(shù)是電路系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作的保證。文中介紹了電源濾波中常用的RC濾波器和LC濾波器，以及兩種濾波器的使用方式、設(shè)計(jì)方法和濾波器件選用方法。對(duì)實(shí)現(xiàn)完好的電路設(shè)計(jì)有益。電源系統(tǒng)的干擾是電子系統(tǒng)的主要噪聲來源，也是影響系統(tǒng)正常工作的重要干擾源。因此，有效抑制電源系統(tǒng)的干擾成為提高電路抗干擾性能的重要環(huán)節(jié)。電源濾波電路種類較多，但經(jīng)常使用的是文中介紹的兩種主要濾波器。RC濾波器實(shí)際上直流電源存在內(nèi)阻，交流信號(hào)流過內(nèi)阻會(huì)在內(nèi)阻上產(chǎn)生壓降，這個(gè)壓降是造成電路中有害干擾的根本原因。而采用RC濾波電路可有效抑制干擾。如圖1所示兩級(jí)放大電路，假設(shè)電路中沒有濾波電容C2,并假設(shè)某瞬間在VT1管基極上信號(hào)電壓Ui在增大，設(shè)定為+。由于共發(fā)射極放大器的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)相位相反，這樣VT1管集電極上的信號(hào)電壓相位為-,VT2管基電極信號(hào)電壓相位為-耦合電容C3不移相位），VT2集電極的信號(hào)電壓相位為+。由于直流電源V+不可避免地存在內(nèi)阻R0，VT2管集電極信號(hào)電流流過R0時(shí)產(chǎn)生了信號(hào)壓降，即電路中的B點(diǎn)有信號(hào)電壓，且相位為+。電路中B點(diǎn)的這一信號(hào)經(jīng)R4加到A點(diǎn)，A點(diǎn)信號(hào)電壓相位也為+，通過R1加載到VT1管基電極自激，產(chǎn)生振蕩，這便是多級(jí)放大電路中有害交鏈引起的電路自激。囪3兩級(jí)成友電珞在電路中加入電容C2后，與R4構(gòu)成濾波器，電路中A點(diǎn)的信號(hào)被C2旁路到地端，而不能通過電阻R1加到VT1管基極，這樣多級(jí)放大電路中不能產(chǎn)生正反饋，也就沒有級(jí)間的交鏈現(xiàn)象，達(dá)到了消除級(jí)間有害交鏈的目的。而且電容C4對(duì)直流工作電壓還有濾波作用。電阻R4的作用是進(jìn)一步提高濾波效果，因?yàn)殡娐分蠦點(diǎn)的信號(hào)電壓被R4和C2構(gòu)成的低通濾波器衰減，比不加入R4時(shí)A點(diǎn)的信號(hào)電壓還要小，所以濾波效果更好。R4除具有加強(qiáng)濾波的作用外，還為前級(jí)放大電路提供直流工作電壓，直流電流流過R4后在其上有壓降，這樣降低了前級(jí)電路的直流工作電壓，這對(duì)減小噪聲很有幫助。在多級(jí)放大電路中，至少每兩級(jí)共發(fā)射極電路要設(shè)一節(jié)濾波電路，因?yàn)槊恳患?jí)共發(fā)射極放大器對(duì)信號(hào)電壓反相一次，兩級(jí)放大電路反相兩次后信號(hào)電壓的相位又成為同相，這就容易產(chǎn)生級(jí)間正反饋而出現(xiàn)自激。所以，級(jí)數(shù)較多的放大器中要設(shè)有多節(jié)濾波電路。同樣在由運(yùn)放構(gòu)成的多級(jí)放大電路中，各級(jí)間通過電源內(nèi)阻的耦合形成相互間的影響是產(chǎn)生自激振蕩的根本原因。因此，對(duì)于多級(jí)放大器，除了在電源進(jìn)線端加裝去耦濾波電容之外，還應(yīng)在各級(jí)放大器間加RC濾波器。如圖2所示為在一具有3級(jí)放大器中加接RC濾波器的情況。圖中電源進(jìn)線端去耦由一個(gè)大容量的電解電容C2和一個(gè)小容量的高頻電容C1并聯(lián)組成。電解電容提供低頻去耦通道，小容量電容提供高頻去耦通道。后續(xù)RC電路進(jìn)一步濾除紋波，這樣的去耦濾波電路使電路處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，對(duì)于高增益放大器(增益＞60dB)，增設(shè)這種級(jí)間去耦濾波電路十分有效，否則極易形成自激振蕩。上,—1?一~.一■ tr-3~■~一步h.,■■■■”?久闔#Lt：?zyxM圖2多級(jí)放大電路中的去藕造波器對(duì)電源芯片的輸出，電容要盡可能靠近輸出管腳，以防止自激。筆者最初設(shè)計(jì)的電源就岡電容離輸出端的管腳遠(yuǎn)而發(fā)生過自激。RC濾波器中電阻電容的選擇要根據(jù)電路有效工作頻率低于濾波器的截止頻率為首要選擇原則，截止頻率的計(jì)算如式(i)所示。電阻的大小還要考慮電源壓降，應(yīng)不影響電路的直流工作點(diǎn)，封裝尺寸要考慮功率耗散。fc-廠L (1)在電源去耦濾波電路中，大容量的電解電容旁邊要并聯(lián)一個(gè)小容量電容。因?yàn)殡娊怆娙菔且环N低頻電容，它主要工作在頻率較低的電路中，高頻特性不好，容量大的電解電容其高頻特性更差。大容量電解電容的等效電路是一個(gè)純電容C0和一個(gè)純電感L0的串聯(lián)。當(dāng)頻率較高時(shí)C0的容抗減小，但L0的感抗增大，結(jié)果電容的阻抗增大，高頻特性變差。大容量電解電容尤其是鋁電容的電感成份較大，究其原因是鋁電容的兩極板由鋁箔構(gòu)成，鋁箔是導(dǎo)體，為減小電解電容的體積而將鋁箔卷起來。由電感結(jié)構(gòu)可知，將一個(gè)導(dǎo)體卷起來會(huì)出現(xiàn)電感。由于大容量電解電容器容量大，鋁箔更長，卷得更多，這樣等效電感更大，高頻特性更差。圖3所示是鋁電解電容的頻率特性。由圖可見，鋁電解在頻率高于25kHz以后，阻抗變大，頻率特性變差。但由于鋁電解電容容量大，價(jià)格便宜，因此應(yīng)用廣泛。而且鋁電解電容在偶然擊穿后，由于電解質(zhì)的作用，擊穿處將重新形成氧化膜而自動(dòng)恢復(fù)其絕緣性，這就是所謂的自愈性。10005Q0J1 i1t I I l_ 1I一Od0.2O.5]rO2rO5,010205G100HHjrt圖3鋁電解電定頻率將性在濾波電路中，經(jīng)常使用的另一類電解電容是鉭電容，也是一種有極性的電解電容。與鋁電解電容相比其優(yōu)點(diǎn)是：體積小，易制成片狀電容；容量/體積比大；溫度使用范圍寬，一般均能在-55?+85℃范圍內(nèi)工作，高者可在-125?+155℃條件下工作，而一般鋁電解電容的溫度范圍是-40?+85℃，且此時(shí)電性能不如鉭電容；具有更小的漏電流和更高的絕緣電阻以及更高的電性能；阻抗頻率特性好，自身電感較小，自諧頻率一般可達(dá)到50kHz以上；因頻率的升高而引起的電容量下降較鋁電解電容??；存儲(chǔ)性能好，使用壽命長，可靠性更高。但鉭電解電容價(jià)格高，容量范圍和工作電壓范圍不如鋁電解電容寬。用4不同京他的聚解電容頰率稱性在RC濾波器中，電容的容值要根據(jù)干擾頻率進(jìn)行選擇。已有實(shí)驗(yàn)表明，干擾頻率越高，所用電容越小，而且高頻時(shí)，大電容已不起作用，小電容卻起著關(guān)鍵的濾波作用。圖4給出不同容值的聚酯電容的濾波特性，也可作為其他不同材料電容的頻率特性的參考。LC濾波器在高頻電路中經(jīng)常采用由電感、電容構(gòu)成的LC濾波器。LC濾波器對(duì)濾波元件的要求比較高，云母以及高頻瓷介電容器由于其串聯(lián)電阻和自身電感都很小，是LC濾波器中主要使用的電容。在LC濾波器中，正確選擇濾波電路的形式非常重要，電路形式選擇的依據(jù)是源端阻抗原則，電感、電容的大小根據(jù)頻率選擇。表1列出LC濾波器選用的阻抗失配端接原則，以及截止頻率計(jì)算公式。電感L的大小要根據(jù)電流選擇，直流電阻要小，Q值要高。電流大時(shí)電感要小些，以防止電感飽和導(dǎo)致電感減小。-1 器選用的阻抗失配，接1則，想 戲波電蹙格式 鷺?biāo)练f軍電路形式1Lf r高明!■抗. 1~C12011,高叫抗￡" 1ft醴硼MjcL隈阻抗 nL型 fl 低阻抗 丁仁苗阻抗工="而倒L型ffj_Tin肽?？笿~rc~低祖抗"不二涼下半由于電感在工作時(shí)，一方面線圈中的電流變化將在空間形成一個(gè)變化的磁通；另一方面，外部干擾磁通如果和線圈交鏈，將在線圈中產(chǎn)生一個(gè)噪聲電動(dòng)勢(shì)，而不論線圈的繞法如何，這種情況都普遍存在。就對(duì)磁場(chǎng)的敏感性而言，有磁芯的電感比空心電感更敏感一些，這是因?yàn)闃?gòu)成磁芯材料的低磁阻特性能更多的收集外部磁場(chǎng)的磁力線的緣故。一般來說，開放式的磁芯比半開放的磁環(huán)漏磁通要大，而半開放式磁環(huán)的漏磁通又要比封閉式的磁罐大。一個(gè)密封性較好的磁罐所產(chǎn)生的漏磁通是相當(dāng)小的，而一般的磁環(huán)或磁罐式線圈對(duì)磁場(chǎng)的敏感性都要小于普通空心線圈。因此，在選用電感時(shí)，從抗干擾的角度出發(fā)，優(yōu)先選用漏磁通小的元器件。高頻電路極易拾取噪聲信號(hào)，有時(shí)，即便是一小段導(dǎo)線或是器件的一段引線，處理不當(dāng)都極易感應(yīng)外界噪聲而形成干擾。因此對(duì)高頻電路除了采取電源濾波這些基本的電路措施之外，對(duì)整個(gè)電路的屏蔽和對(duì)導(dǎo)線的濾波也至關(guān)重要。為提高屏蔽罩的效果，所有進(jìn)出屏蔽罩的引線，都應(yīng)進(jìn)行濾波，以防止外部噪聲由導(dǎo)線傳入罩內(nèi)，在這種情況下通常采用穿心電容。由于同容量的穿心電容比標(biāo)準(zhǔn)的電容器具有更低的自感，因而在高頻場(chǎng)合，尤其是穿過屏蔽罩的地方經(jīng)常采用。對(duì)引線的濾波，一般可采用單電容，如云母或高頻瓷介電容，但可以采用電感L如高頻扼流圈及電容C組成型濾波器，濾波效果將更好。如果在高頻扼流圈的外部再加裝隔離屏蔽罩，性能會(huì)更優(yōu)越。所有高頻濾波器中使用的電容器、扼流圈以及屏蔽罩的接地線應(yīng)盡可能的短，以利于提高濾波效果。除了分立的LC濾波器之外，在電路板上廣泛使用三端濾波器。三端濾波器是將小磁珠與三引線端子式的電容器封裝在一起，構(gòu)成了T型電路，是種小型化的LC波器，高頻濾波性能好，廣泛應(yīng)用在抑制電路板上的傳導(dǎo)干擾和高頻電磁輻射。陶瓷電容的大小決定