电源线滤波高性能包处理

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电源线滤波高性能包处理

为了确保他们保持安全，物联网很多互联网(物联网)应用程序将需要防火墙和网关，以保护最敏感的设备。虽然端节点将是电池供电的，这些防火墙将线供电的大部分为他们提供给运行必需的安全检查所需的能量。这引入需要的电源线防干扰过滤。

为了处理可以针对工业网络推出的威胁范围日益扩大，使用防火墙的数据过滤系统正变得越来越复杂。设计师正在部署不仅是嵌入式处理器，但现场可编程门阵列(FPGA)来执行深度包检测任务都能够剔除掉可疑或恶意的帧。这些复杂的设备可以具有多个电源轨送入它们分别供应能量到核心逻辑阵列和I / O单元，以及时钟和存储器接口信道。

电源耦合噪声的锁相环(PLL)的用于产生可靠的时钟脉冲，产生不利影响的两个片上的电路和串行接口，以及逻辑的操作。因为电压现在是在1伏以下，有很少的公差更改，其结果是电路可以被证明是高度敏感的纹波和其他形式的电源噪声的。

电源完整性是对这些设计的关键要求之一，因为中断来处理，同时系统恢复可能会减慢网络性能。作为防火墙将经常被位于数据中心外面，其中滤波电源是不容易获得，并且可以在靠近工业设备，他们将需要编入了自己的电源噪声抑制和滤波硬件。

有两个阶段，在该滤波可能需要在一个设计用于工业的IoT防火墙。一个是在电源输入端，以尽量消除沿电源线传导噪声。另一种是电源后处理噪声耦合到主电路或所产生的系统内的数字交换的结果。在这两种情况下，电感器和电容器的无源网络可以提供许多所需的滤波。

一个选项，用于一个电源输入滤波器是无阻尼的LC滤波器。然而，这具有潜在地增加干扰的电路，这是关系到的总电感和电容的平方根的拐点频率的效果。其结果是，设计通常使用串联或并联的阻尼遏制围绕滤波器的截止频率的峰值。

在电源的输出侧，旁路电容器常用于包含由开关噪声和其他干扰源的变化的电流。在电源和地之间的电容器旁边。除了旁路电容，电感等铁氧体磁珠可以插入串联，以形成一个共模噪声抑制滤波器。因为它们提供了比电感器，其可以在直流/直流的输出电路中使用转换器本身低阻抗铁氧体可以更好地工作，在这种情况下。有许多需要电感器和电容器的选择过程中要考虑的事项。

多层陶瓷电容器(MLCC)被广泛用作电源噪声滤波应用的电容​​器，因为它们可以处理很宽的频率范围。然而，这些性能是通过其固有的电阻(ESR)和电感(ESL)的影响，导致小于理想的特性处理高频信号时。因为这些元素的，电容器的阻抗表示的V形频率曲线(图1)，其中电容器的阻抗，主要是由于串联电阻，落在几乎线性朝向谐振频率之前再次上升，由于串联电感。

电容器的阻抗特性的图像

图1：一个电容器通过频率的阻抗特性。

在左手侧的曲线可以通过选择适当的电容量进行调整。一般情况下，低阻抗，更好的电容的噪声抑制能力。更高的电容一般将低在V的左手侧，但对电感控制的一侧几乎没有影响。其可使用短而宽的迹线来实现 - 其结果，它选择具有低ESL的电容器以及选择安装所述电容器在PC​​B上的一个方式，以确保低电感存在是重要的。 A 1 nH的增加电感可以通过尽可能多的为10db降低噪声抑制。

适于抑制低电感电容改变内部电极的配置，以改变通过该装置的电流路径。一类是长度宽度(LW)反向电容，如村田电子LLL系列家族，其中有一个宽而短的电极结构。另一种方法是多端子电容器设计，与每个电极倒车相对于其邻居的极性。使用这样的结构，沿相反方向流动的电流之间的互感抵消。而常规的MLCC可能具有0.5 10nH的电感，一个LW反向可以减少到0.2 nH的和至0.1 nH的一个八终端甚至进一步。村田LLA系列提供了合适的八端电容，一样的AVX IDC家庭。

低ESL电容器的另一种形式是三端的设计，这是一种类型的馈通电容器设计用于其广泛频率范围特性。它是电容器与输入，输出电极和接地电极，形成在的电路的T形路径。该设计减少了旁路方向的电感显著，往往比一个常规的MLCC的第三十以下。

类似于电容器，电感器具有频率相关的性质，虽然倒相对于电容器的情况下，产生了三角形状，而不是一个五再次峰值在电感器的自谐振频率。增量的上升左侧边缘是由于电感和下降右侧主要是控制由有效并联电容(EPC)。在自谐振点的阻抗由有效并联电阻(EPR)来控制。

为了在高频率实现高阻抗，具有低的EPC的电感器通过减少在绕组电容通常获得。然而，铁氧体磁珠具有更广泛的峰，由于频率而变的电阻，比一个电感器，一个适合它宽带噪声抑制的尖锐谐振峰。

铁氧体磁珠的基本结构包括一个圆筒形铁素体与引线通过它的，虽然有使用的多层结构具有内部形成一个螺旋形的连接形态。甲磁通响应于电流经过导线，提供电感和阻抗特性是由于铁素体的磁导率在内部形成铁素体。

铁素体 - 电容器的LC滤波器的结构

图2：铁素体电容器的LC滤波器的典型配置。

电感取决于铁氧体的导磁率的频率特性，并且通常是不固定的。该阻抗由铁素体的磁损耗的强烈影响。其结果，铁氧体磁珠的特征通常表示在由于频率的变化阻抗而言，相对于电感。在高频率，大部分能量通过热被消散，但铁素体具有非常低的电阻接近直流，所以不会极大地影响从DC / DC转换器的输出。

铁氧体磁珠应当选择，使得其阻抗足够高的DC / DC转换器的开关频率和优选及其谐波，以及保证了稳压器的开关噪声的有效阻断。的DC / DC转换器的一些制造商建议，因为他们的低铁损使用屏蔽铁氧体磁芯电感。

对频率的铁氧体的阻抗响应的图像

图3：针对频率铁氧体和电阻成分(R)和电抗分量(X)的影响的阻抗响应。

采用铁氧体和电容器滤波器的组合的一个方法是使用LC滤波器。这简化匹配两个，以确保插入损耗的作业由于电容器下降太低提供跨越感兴趣的频率范围内有效地抑制。一个典型的LC滤波器产品线是NFE系列村田或ACF家族TDK。

噪声可以不利地敏感的高性能数字处理器尽可能多影响，因为它可以用模拟电路干扰。设计中的滤波电路能够确保系统能够可靠地执行，尤其是在EMI易条件，如在工业环境。