低频噪声主要来自两种类型的滤波：差模和共模滤波.差模滤波的目的是降低电源线上沿回路返回的电流所带来的噪声.在电源和地之间引入一个电容,提供低阻抗通道,噪声便会通过该路径返回,不再干扰测量结果.同时,功率线上设置一个电感,阻止噪声从设备中逃逸.商业测试中通常会使用LISN(线路阻抗稳定网络),通过电感和电容连接到LISN,以提供50Ω的源阻抗.

在某些情况下,噪声可能微弱到只需要通过电容与50Ω电阻构成的分压器来转移大部分噪声.要确保电容的ESR适合,可以选择多层电容或金属化塑料电容.

差模滤波器设计

二阶LC电路用于差模滤波.根据噪声频谱确定未滤波时的噪声特性,然后设计的二阶滤波器需在特定频率处以40dB/dec的斜率衰减.例如,如果差模噪声在100kHz为20dB,则滤波器的截止频率可以设定为30kHz.通过绘制斜率40dB/Dec的线条来选择LC参数.

共模滤波器设计

共模滤波器的设计比差模滤波器更为简单,常用的元件有限,主要是共模电容和共模电感.共模电容(Y电容)负责将噪声从电源线引至地,而共模电感则提供平衡阻抗,从而对共模噪声形成高阻抗通路,同时对差模电流没有影响.数值选择时,需要注意电容和电感的成本及设计要求.

电容与电感的限制

电容在高频时有频率响应限制,尤其是电解电容,随着频率增加其等效串联电阻(ESR)变大,导致在高频时其表现为电阻性而非电容性.一般来说,陶瓷或塑料电容更适合用于EMI滤波.另一方面,电感的性能在高频时也会受限,其分布电容可能与电感并联,导致在某些频率下电感不再有效抑制噪声.可以通过串联两个电感来增加电感值并减小分布电容.

压敏电阻也可作为滤波器的一部分,通常用于吸收电源线上的瞬态电压.由于压敏电阻具有小电容,在应用时要注意其漏电流对电路性能的影响.

综合设计

有时可以通过共模和差模滤波器结合设计节省成本,例如使用一个磁芯来实现共模和差模滤波功能.但设计时需注意电流和磁芯的饱和度.通过调整电感绕组匝数,可以实现更高的电感值,同时不增加成本和体积.对于商业设计,不建议使用过多级的高阶滤波器,因为生产复杂且难度大.

设计注意事项

对于一些低频区的高衰减要求,如60-80dB,建议回过头去检查电路布局设计,因为PCB布线中的泄漏和交叉干扰可能会影响滤波效果.商用滤波器通常密封在金属壳中,避免了电路间的相互干扰,这也是其能实现更高衰减的原因.自己也可以通过类似方法提升性能,但成本较高.

总结

差模和共模滤波器在电源噪声抑制中扮演着至关重要的角色.通过合理的元件选择\精确的电路设计以及对噪声频谱的深入分析,可以有效提升滤波器的性能,满足实际应用需求.无论是选择电容\电感,还是设计滤波器的级数,都需要在成本\体积和性能之间取得平衡.最终,一个优化的滤波设计不仅能提升电路的稳定性,还能有效降低噪声干扰,确保电源系统的可靠运行.