无源滤波器讲解和典型DCDC稳压芯片外围电路的设计

最近在帮导师做项目，接触了一些电路板的制作等方面的知识，其中对电源模块的设计是每个电路板设计时都要面对的问题。对于芯片板来说，我们往往要求其供电电源具有很高的电源质量，具体来说，就是电源的稳定性较好、抗干扰能力强、纹波小、无尖峰脉冲出现。特别是对于FPGA等高速芯片，电源质量的好坏直接决定了芯片能不能正常工作，因此这里对PCB板中的电源模块进行一个知识的汇总。主要分为两个部分，一个部分是对常见的PCB中的无源滤波电路进行一个分析、一个部分是对常见的稳压芯片外围电路进行设计。这里主要是DC-DC的稳压。

在PCB板中，电源部分常常使用的是无源滤波电路。无源滤波电路基本上就是由常见的三种电路元件：电阻、电容、电感组成。其中我们先对电路元件进行一个讲解，说明各个元件为何具有滤波作用。

简单来说，滤波就是对信号在频率上进行分割，把需要的频率的信号提取出来，把不需要的频率的信号舍去。这种思想始终贯穿着滤波电路的设计中。

文章目录

一、常见的滤波元件
- 1.电阻
- 2.电容
- 3.电感
二、常见的滤波电路
- 1.C型滤波电路
- 1.倒L型滤波电路
- 1.π型滤波电路
三、典型稳压芯片外围电路的设计
- 1.总体设计
- 2.电感的选择
- 3.输出滤波电容的选择
- 4.前馈电容的选择
- 5.吸纳二极管的选择
- 6.输入电容的选择
4.实际设计所遇到的问题

一、常见的滤波元件

1.电阻

一般来说电阻的作用就是能够降低电压，产生电压有个抑制的作用，但是这种抑制是在全频率空间上的，因此单单使用电阻一般是达不到将直流和交流分开的目的。但是有一种电阻，0R电阻，却在模拟和数字共存的电路里起了很大的作用。

我们都知道，一个电流从正极出发，最终会回到负极，对于PCB板来说也是如此，但是我们也有一个概念就是，世界上没有理想的器件，所有的电路、电子器件都会引入电阻、电感、电容等参数。对于地线来说也是如此，PCB的“地”和传统的大地是不一样的，传统的大地我们认为是可以无限的接收电荷而其电位不变化，但是PCB的地则是存在一定的阻抗，当流经的电流不同时，其地电位会产生变化，只是一般来说地电位的阻抗较小，因此电流造成的地电位的变化也较小。但是对于大电流来说，这时由大电流造成的地电位的变化就是不可忽略的，而我们的电路都是以芯片板上的“地”作为参考电压，即使信号不变，参考电压改变，实际上也就相当于参考电压不变，而信号改变，这就引入了噪声。

此外对于数字电路和模拟电路来说，因为数字电路的信号多为高频信号，高频信号在返回“地”时，会给数字地的地电位带来较多的高频变化，而模拟信号一般要求其地电位保持恒定，因此如果简单的将数字地和模拟地共用，那么就会造成数字信号的高频噪声被加到模拟电路的基准地中，这就造成了模拟电路的不稳定。而如果两个地直接断开的话，又存在浮地的现象，容易累积静电电荷，因此我们常常将两个地分开，只用一点进行连接，这就是单点接地。

在单点接地的时候，因为我们是想要把数字电路中的高频噪声给隔离开，因此两个地之间常常采用0R电阻或磁珠来连接。但是磁珠是一种带通元件，因此在使用时，我们应该首先估计出数字电路中的噪声的频率，才能选择合适的磁珠。而0R电阻虽然标注为0R，但是由于其通流面积较小，因此还是有一定的阻抗存在，所以其对所有频率的噪声都有抑制作用，因此通过0R电阻，可以将数字地和模拟地进行一个简单的隔离，隔离掉数字地的高频噪声的同时，又保持了两个地之间的电位基本相等，避免的浮地的出现。

2.电容

我们通过电工的知识，知道了理想的电容对于直流信号是截止的，对于交流信号是导通的，并且频率越高，电容的阻抗就越小，并且电容的容值越大，相同频率的信号阻抗越小。但是实际在使用过程中，是没有理想的电容存在的，所有的电容都可以看成是电容+电阻+电感的组合，而电感对于直流信号是导通的，对于交流信号是截止的。这就造成了当电容两边的信号频率十分大时，尽管电容不存在阻抗，但是此时等效电感产生的阻抗已经不能忽略了，此时对于整个电容来说，该高频信号反而被抑制了。因此实际的电容使用都有一个谐振频率，当信号小于该电容的谐振频率时，电容的作用更接近于电容，当信号频率大于谐振频率时，电容的作用更接近于电感。因此我们在使用电容的时候，一定要保证电容两端的信号频率要在谐振频率以下。

下表是常见的电容值对应的谐振频率。具体在选择时还应根据商家提供的表格进行选取。

电容值	DIP（MHz）	SMT（MHz）
1uF	2.5	5
100nF	8	16
10nF	25	50
1nF	80	160
100pF	250	500
10pF	800	1600

而电容中的电感参数和电容的封装有关，一般来说，封装越小，电感参数越小，因此其谐振频率越高。因此一般来说，同样容值的情况下，DIP封装的谐振频率要低于STM封装的谐振频率。此外电容的容值越大，电容的体积越大，电容的电感系数越大，因此大电容的截止频率较低，小电容的的截止频率较高。而电容的容值越大，其对交流电的阻抗越低，电容的容值越小，其对交流电的阻抗越高。

因此，这就造成了一种现象，当我们需要滤掉高频信号时，由于大电容的截止频率较低，因此我们只能选择小电容；当我们需要过滤低频信号时，因为为了减小交流电的阻抗，提高过滤效果，我们选择大电容。因此一般来说，当我们需要过滤交流信号时，我们往往并联两个一大一小的电容，来实现高频和低频同时过滤的效果，从而保留直流成分。这也就是为什么我们常常用大电容过滤低频信号，用小电容过滤高频信号的原因。

3.电感

电感具有通直流，隔交流的作用。

电感的原理是将电流转化为磁场，根据楞次定律，磁场会抵消电流的变化，因此对变化频率越高的谐波，电感的阻抗越高。

同样实际使用的电感也是电感+电容+电阻的组合，因此电感也存在一个谐振频率。正常使用应该保证信号的频率在谐振频率以下。

此外电感还存在电流饱和的情况，要保证电流的大小低于电感的饱和电流。

此外电感还有一个品质因素Q，因为电感将一部分电流转化为了磁场，因此电感存在着一定的能量损耗，一般来说电感的输入电压和输出电压在无直流阻抗的情况下，V1=0.9V0。而品质因素Q越高，表明电感的能量损耗越低。

电感的选型：

电感的选型一般来说主要看一下几个参数：
电感值：电感值的选择一般来说直接参考DCDC芯片提供的推荐数值或理论公式计算得到。一般来说，电感的感值越大，其纹波越小。

电流：电感一般有温升电流和饱和电流，我们在选择时，应保证电路中的最大峰值电流低于饱和电流，电路中的电流的均方根应低于温升电流。

直流电阻：电感中存在着直流电阻，直流电阻会降低电感的效率，如果对于输出的效率要求较高，应选择较低的直流电阻的电感。

电磁干扰：电感将电流转化为磁场，因此在大电流情况下，有可能存在磁场强度太大，而影响其他芯片的正常工作，因此应该根据芯片的使用环境，选择是否需要带有外壳屏蔽的电感元件。

此外在使用电感元件时，应该在电感处反向并联一个二极管，称为续流二极管，续流二极管的作用是，当电感通过的电流变化较大时，例如突然关断等情况，电感就会产生一个较大的反向电压，这个电压值远远大于芯片的耐受电压，因此很容易造成后级电路的损坏。因此为了将这个电压消除，我们通过一个反向的二极管，将反向电压输出到电感的输入端，从而较少反向电压对后级电路的影响，这个二极管就称为续流二极管。续流二极管在选择时，一般采用肖特基二极管，因为肖特基二极管的开关频率较高，响应特性较好。

一般来说在DCDC电路中，我们常常采用的是贴片功率高频电感。

二、常见的滤波电路

1.C型滤波电路

采用C型滤波电路时，就是通过电容将信号中的交流分量通向地，从而使输出信号保留更多的直流分量，一般来说为了提高滤波效果，我们常常采用一大一小两个滤波电容实现较大频率范围内的滤波，例如下图所示的电路：

上图中的4引脚输出就通过了一个C型滤波电路，从而使3.3V的输出更稳定。如果这里不加220uF的大电容滤波的话，就会导致低频信号没有被过滤，输出电流就会有比较大的电流声。

上图所示的滤波电路常常用在小电流小负载的场合下。

1.倒L型滤波电路

倒L型滤波电路是将电感和电容组合使用，我们知道电感可以过直流，电容可以过交流，因此通过电感和电容组合使用可以得到一个更为平滑的直流输出。此外当电感流过的电流较大时，可以通过电感后的电容快速补充，将电流稳定下来，因此这种电路也适合在大电流、变化的输出电流中使用。

这种倒L型滤波电路的带载能力是比较强的，多用于较大功率的电源中，例如在DCDC转换电路中，其输出就常常采用倒LC滤波电路来实现滤波。

1.π型滤波电路

π型滤波电路有两种方法，一种是LC-π型滤波电路，一种是RC-π型滤波电路，其区别在于采用的是哪种元件在直流通道上。
LC-π型滤波电路在倒L型滤波基础上再加一个电容，因此对输出电压的脉动更小，**它的滤波效果比倒L型滤波效果更好。但是其输出同样较小，因此更适合在小功率下使用。**所以说LC-π型滤波电路可以看做是普通C型滤波电路的改进，和C型滤波电路的使用场合相似。
下图是LC-π型滤波电路：

如果这里把电感改成电容，就成了RC-π型滤波电路。这种滤波与LC-π型滤波类似，只不过是用电阻代替了电感，由于电阻对电压具有降压作用，，与电容组合在一起时候使得较多的脉动的交流成分降在电阻上，减少对负载的影响，最终实现滤波。这种电路适合负载电流较小同时输出电压脉动不是很高场合。

综上所述，在使用滤波电路时，直接使用电感或倒L型滤波电路能够带动较大的负载，但是滤波的损耗比其他方式大，电路也更复杂，器件选择需要技巧；C型电路、LC-π型滤波电路、RC-π型滤波电路适合负载较小的场合，其中LC-π型滤波电路的效果是比较好的，而C型电路和RC-π型滤波电路成本较低、电路简单。

三、典型稳压芯片外围电路的设计

1.总体设计

假设我们需要将直流DC25.2V转化为5V输出，输出电流为1.21A，那么如何选择合适的稳压芯片和稳压电路实现上述的指标要求呢？

首先我们应该选择是采用线性稳压芯片，还是开关型稳压芯片。

假设采用线性稳压芯片，我们来计算一下耗散功率，输入为25.2V，输出为5V，输出电流为1.21A，因此耗散功率P等于：
P=(25.2V−5V)∗1.21W=24.442WP=(25.2V-5V)*1.21W=24.442WP=(25.2V−5V)∗1.21W=24.442W
这个耗散功率是远远大于正常情况下线性稳压芯片所要求的耗散功率的最大值，一般来说要求耗散功率应小于1.9W，否则芯片的发热将十分严重，无法避免。因此采用线性稳压芯片是不适合这种压差和输出电流很大的场合。

因此我们只能采用开关型稳压芯片，开关型稳压芯片其三极管工作在饱和区，因此其转换效率较高，输出电流较大，耗散功率较小，因此发热量较小，适合这种大压差大负载的需求场景。但是开关型稳压芯片由于其输出是通过高频的开启和关闭来实现调压，因此输出的电流的高频成分较大，因此其输出的电流的稳定性等不如线性稳压芯片。因此在下一级使用之前，应该对开关型稳压芯片增加一些外围电路，使输出的电流的稳定性更好，更接近理想的直流输出。

例如我们采用LM2596-5V的DCDC稳压芯片。其输入电压范围是7-40V，输出电压为5V，输出电流最大为3A，开关频率为150KHz。

一个DCDC的电路的典型电路图如下所示：

2.电感的选择

那么首先根据商家提供的图标进行选择电感：

可以看到，在25.2V的输入，输出电流最大为1.21A的情况下，其电感取值为100uH比较合适。这里最好使用带有磁屏蔽的贴片电感。

3.输出滤波电容的选择

然后我们选择输出级的滤波电容，一般来说，输出电容的耐压程度为电压的1.5倍基本上就可以，但是对于这里来说，低耐压电容的等效阻抗比较大，220μF /10V的铝电解电容也会产生大约 225Ω的等效阻抗，这么大的等效电阻会在输出端产生相对高的输出纹波电压。要把纹波电压降到输出电压的 1%或更低，就需要选择一个耐压（低等效电阻的）更高或容值更高的电容。一个16V或 25V的电容几乎可以把纹波电压降到原来的一半。

总结来说，在大多数的使用中，使用 82μF～820μF之间的低等效电阻（Low ESR）的电解电容或固态钽电容效果最好，电容要靠近 IC，管脚要短，连接的铜线要短。不要使用大于 820μF的电容。
对于电容容值的选择，我们也可以直接查下面的表格来选择：

通过查表，我们选择的电容参数为180uF/35V的直插式电解电容。

4.前馈电容的选择

通过上面的我们对于电容的讲解，在输出端的大电容旁，我们可以并联一个小电容，从而提高电路的稳定性，这个电容的典型值在100pF～100nF之间，对于高输出电压、低输入-输出电压时和/或低等效电阻的输出电容等情况，这个电容可以使电路格外稳定，如固态钽电容。也可以是瓷片电容、塑胶或云母电容等（但是Z5U/Y5V瓷片电容性能不稳定，所以建议不要使用这种电容）。

这里我们选100nF的104贴片电容。

5.吸纳二极管的选择

吸纳二极管的哦选择应遵循以下原则：

A. 吸纳二极管的最大承受电流能力至少要为最大负载电流的 1.3倍，如果设计的电源要承受连续的短路输出，则吸纳二极管的最大承受电流能力要等于 LM2596的极限输出电流。对吸纳二极管来说，最坏的情况是过载或输出短路。

B. 吸纳二极管的反向耐压至少要为最大输入电压的 1.25倍。

C. 吸纳二极管必须是快恢复的且必须靠近 LM2596，此二极管的管脚要短，连接的铜线也要短。由于所需的二极管开关速度快、正向压降低，所以，肖特基二极管是首选，同时，它的性能和效率都很好，特别是在低输出电压情况下更是如此。使用超快恢复或高效整流二极管效果也很好，但是，一些有突然关断性能的这种器件可能会引起不稳定或电磁感应的问题。超快恢复二极管的典型恢复时间为 50ns或更快，但 IN5400系列的整流二极管速度很慢，通常不用。

综上所述，在假设极限工作电流2A，短路电流3A的情况下，我们应选择的肖特基二极管的最大承载电流等于3A，耐压要大于31.5V，且开关频率要大于150kHz。

因此我们可以选择型号为SS34 IN5822的肖特基二极管，其参数为3A 40V，反向恢复时间在8~15NS内，满足我们的使用要求。

6.输入电容的选择

为了防止在输入端出现大的瞬态电压，在输入端和地之间要加一个低等效电阻的铝或钽电容作为旁路电容，这个电容要靠近 IC。另外，输入电容电流的均方根值至少要为直流负载电流的一半。要确保所选的电容的这个参数不能低于直流负载电流的一半。

对铝电解电容，其耐压值要为最大输入电压的 1.5倍。必须注意的是，如果使用了钽电容，则它的耐压要为输入电压的 2倍，推荐使用生产厂家测试过浪涌电流的电容。使用瓷片电容为输入旁路电容时要特别小心，因为这可能会在输入脚处引起非常严重的噪声。

因此我们在选择输入电容的时候，需要根据输入电压和输出电流来选择，电容的耐受电压至少大于输入电压的1.5倍，而电容的均方根电流应至少大于负载电流的0.5倍，因此根据下图我们选择合适的电容：

通过上述图，我们应该选择25.2*1.5=37.8V以上的，1.5A以上的电容，因此这里我们选择470uF的50V电解电容。

综上所述，我们已经实现了一个DCDC的电源的外围电路的设计和选型。

4.实际设计所遇到的问题

1.确定芯片没问题的情况下，测得的输出的电压几乎为0V。

答：可能是线路连接有问题，比如说续流二极管焊反了。