为对电源纹波敏感的应用，设计二级LC过滤器减小纹波
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1.前言
某些应用，例如测试和测量用的传感器，采集模拟量信号时，对电压纹波非常敏感，通常需要电源输出非常低的电压纹波。例如，10µV/V 的纹波比转化为 100dB 的衰减。
2、二级LC滤波
由于使用带单级滤波器的降压稳压器实现这种衰减水平是不切实际的，因此降低输出电压纹波的强大设计技术是使用第二级电感电容 (LC) 滤波器，如图 1 所示。正确配置第二级过滤器对于获得最佳性能至关重要。
图 1：具有第二级 LC 滤波器的降压
为了在开关频率处获得总共 100dB 的衰减，第一和第二个 LC 滤波器设计为分别提供衰减 A 1 (60dB) 和 A 2 (40dB)。对于第一级滤波器，电感器 L 1旨在根据负载电流提供选定的纹波比。在功率模块中，该 L 1电感器集成在封装内。
等式 1 将电感 L 1在开关频率下的阻抗表示为：
因此，公式 2 将 C 1在开关频率下的阻抗表示为：
等式 3 将所需的阻抗 X C1转换为电容器 C 1的值：
滤波器的输出阻抗应足够低，以免显着影响转换器的环路增益。低输出阻抗还有助于更好地调节长走线长度。在我们无法维持稳压器驱动的负载靠近稳压器的系统中尤其如此。从图 2 中可以看出，第一级电容 (C 1 ) 与第二级电容 (C 2 )的比率对转换器的阻抗至关重要。
为了确保低阻抗并确保滤波器不会显着影响环路，我将 C 1与 C 2的比率设置为 1 比 10。
图 2：具有不同滤波器设计的闭合输出阻抗
公式 4 表示 C 2在开关频率下的阻抗：
为了获得 A 2衰减，公式 5 将 L 2的阻抗确定为：
公式 6 将所需的阻抗 X L1转换为电容器 L 2的值：
许多设计人员担心第二级滤波器的额外极点和相位延迟会影响环路稳定性。实际上，如果将附加双极点放置在远离交叉频率的位置并保持其低于开关频率，则不会影响转换器的带宽和相位裕度。
你更应该注意的是二级滤波器的Q值。高 Q 值将导致低增益裕度（如图 3 所示），从而导致运行不稳定，例如对阶跃输入的无阻尼响应。因此，我们必须抑制第二级滤波器的 Q，并且有不止一种方法可以做到这一点。
最简单的方法是使用具有等效串联电阻 (ESR) 的电解或聚合物电容器。然而，ESR 不是一个可靠的因素，并且会导致纹波衰减的减少（输出纹波的增加）。另一种选择是在滤波电感上并联一个电阻，如图4所示，具有体积小、成本低的优点。缺点是它降低了滤波器在高频下的有效性，因为它降低了滤波电感器的有效阻抗。
图 3：高 Q 导致低相位裕度
图 4：将电阻器与电感器并联放置会抑制 Q
我们以 LMZM23601 为例，V IN = 24V，V OUT = 5V，F SW = 750kHz，I OUT = 1A。电源模块有一个 10µH 集成电感器。因此，L 1在开关频率下的阻抗为 47.1Ω。为了使第一级滤波器获得 60dB 的衰减，开关频率下的 C 1阻抗应为 47mΩ，即 4.5μF 转换为电容。我选择了 6.8µF 来增加一些裕量。由于第二级电容器设置为第一级电容器的 10 倍，因此 C 2的选择值可以是 68µF。开关频率下的最终阻抗 X C2为 3.1mΩ。
要获得剩余的 40dB 衰减，阻抗 X L2应为 309mΩ，转换为电感时为 65nH。由于此电感器将看到输出电流，因此设计足够的裕量以使电感器不会随电流降额就很重要。我们可以选择 160nH 的电感器。为了抑制 Q，我添加了一个与电感器 L 2并联的 250m 电阻器。
图 5 显示了我在示例中使用的参数。
图 5：带有二级滤波器的 LMZM23601
图 6：测试输出电压纹波
图 7：带有和不带有第二级滤波器的波特图
从图 6 和图 7 中可以看出，添加第二级滤波器是降低输出电压纹波的有效方法。我们可以轻松获得 0.014% (0.7mV/5V) 的输出电压纹波，这对于大多数应用来说已经足够了。同时，适当的滤波器设计不会影响转换器的稳定性。
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