本文介紹了基于VICOR電源模塊的輸出濾波器設計方案，并討論了開關電源噪聲消除的辦法，既適合于不同廠商生產的開關電源的輸出濾波，也適用于其他要求高穩(wěn)定度、高精度電源的電路的輸入濾波。

VICOR公司是美國著名的開關電源生產廠商，其標志產品是直流; 直流變換器(DC-DC),以高的功率密度（7.3W/cm^3），效率高于80%和優(yōu)異的可靠性指標著稱，廣泛用于航空航天領域。

VICOR的DC-DC模塊采用的是準諧振零電流開關技術(ZCS-QRCs)，利用LC諧振回路使開關管在開通期間內諧振，流過開關管的電流為半波正弦波。而開關過程發(fā)生在電流為零的時刻，實現零電流開關，在關斷期間內，開關管兩端承受的電壓等于電源電壓。

ZCS-QRCs技術也稱為軟開關技術，開關過程中的電流為零，已經大大減小了功率損耗、提高了轉換效率和可能產生的電壓尖峰，但是由于器件本身的原因，仍然有兩個主要的途徑產生噪聲。

（1）由于開關器件、整流管同基板之間存在寄生電容Cs，該電容在開關器件斷開期間將存儲的能量（CsVin2/2）通過開關器件瀉放掉，一方面使電路損耗增大，另一方面由于電壓變化率過大，將引起米勒效應，產生嚴重的開關噪聲，如圖1 所示。

（2）整流管在恢復期間的反向電流曲線可能存在的較大的斜率（dI/dt），也會產生高頻噪聲，因此對EMI抑止的要求就更加嚴格。開關電源輸出波形示意圖（如圖2所示）。

尖峰之間的時間間隔由開關電源主開關管的開關頻率決定，VICOR的開關頻率高達1MHz，因此可以達到很高的轉換效率，從圖中可以看到，尖峰噪聲的頻率比開關頻率高的多，一般在20~70MHz。

功率場效應管在開關過程中電壓變化（dV/dt）經過兩個串連電容的微分過后，產生一個頻率為50~70MHz的尖峰噪聲電流，這個噪聲電流是共模的，和差模噪聲相反，在直接的意義上說，不應該影響系統的工作。但是在測試電源的輸出紋波時，由于示波器的噪聲抑止能力有限，采用較長的接地線時，檢測出較大的噪聲紋波，一般要大出6~8dB。

這個共模噪聲的抑止方法是在DC-DC的輸入地線處接一個電容，旁路共模電流，對這個電容的安全要求是Y級的，耐壓與鋁基板的耐壓是相同的。同時高頻ESR/ESL也要盡量小，例如陶瓷、云母電容。

開關電源的噪聲簡單分類示意圖如圖3所示。這里重點討論開關電源的電磁兼容性（EMC），其中，共模噪聲是研究和抑止的重點，這種形態(tài)的噪聲很難發(fā)現和抑止，最終又會由于電路的不平衡轉換成共模噪聲而干擾電路。圖3是設計的試驗電路圖，VICOR公司的應用手冊認為共模濾波器應該裝在模塊的輸入端，但是在要求電源紋波極小的電路中，共模濾波器裝在前端是不能滿足要求的，這樣可以抑止前級傳導過來的共模電流，但是不能消除在DC-DC轉換過程中產生的共模電流，經過實驗發(fā)現應該接在輸出端能夠得到更好的噪聲抑止效果。

由于輸出的共模電流是由電源模塊內部的結構決定的，因此減小共模噪聲更重要的是在輸出電路中注意保持電路的平衡性和使用共模濾波器。典型設計接上如圖4所示。

圖4實用開關電源輸出濾波器

L3、L4、L5、L6用于濾除共模噪聲。作為共模扼流圈的L3、L4是繞在一個磁芯上的兩組繞組，電感量一般幾百微亨至幾毫亨，其磁通方向相反，扼流圈的磁芯要求選用較難飽和導磁率穩(wěn)定的材料，使用時嚴格控制電流，否則較大的電流使得磁芯飽和，濾波效果大大下降。C5、C6的作用是使電路中的共模電流有一個出口可以瀉放到機殼/大地，一般選擇容值為2200~6800pF，安全級為Y，若是容值太大，在高頻下ESR變得很大，出現漏電，不僅降低了可靠性，而且對操作人員造成威脅。

C1、C2、C3、C4、L5、L6用于濾除差模噪聲，這里C1、C3為0.1μF的獨石電容，C2、C4為0.1μF的鉭電容，L5、L6為4.7μF。這里濾除的主要噪聲頻段位于幾千赫至10MHz。至于更高或更低頻段的噪聲它們就無能為力了。

較低的頻段采用的方法是在最靠近負載的地方加上大容量電容，最好選擇損耗小，性能穩(wěn)定的鉭電容。

推薦使用L1、L2鐵氧體磁珠濾波器，磁珠是一個對高頻有很大的損耗，對低頻和直流幾乎沒有損耗的器件，主要衰減帶位于10MHz以上，使用磁珠可以彌補電感、電容濾波器在高頻衰減性能上的不足。使用時要注意電流限制，超過磁珠的允許電流，導致磁芯飽和，對高頻噪聲的衰減能力大大下降。

對電源濾波器進行頻譜分析可以發(fā)現，電源濾波器理論上應該是一個低通濾波器，只能通過直流（f=0Hz）以及有限的低頻段，對其他頻率又有極大的衰減。實際上的電源濾波器在低頻區(qū)衰減量隨頻率增加而增加，衰減量在80~100dB達到極值，維持一個較小的頻段，衰減量又開始下降。特別對于開關電源，存在較高頻率的噪聲，這樣要求使用的濾波器在較高的頻段也要有較高的衰減量，至少在20MB有足夠的衰減。但是任何濾波器的頻率特性顯示，當頻率升高時，衰減曲線必定下降，這主要是由于電感、電容的分布參數的影響。為了獲得較好的高頻衰減效果，可以在C5、C6接往大地處串連一個磁珠，這樣可以增加高頻衰減量，但是帶來的副作用就是低頻段的衰減量會有一定的減小。

最終的實驗結果表明該電源濾波器方案應用于多種DCDC電源模塊均能達到很好的濾波效果。

結論，本文所討論的濾波器設計雖然是基于VICOR公司出品的開關電源，但是對噪聲產生的分析以及消除噪聲的方法卻是具有普遍意義的，使得DC-DC電源模塊能夠用于對電源要求較高的模擬電路。