电源滤波技术

2012-12-17李万峰

电子科技 2012年7期

关键词：电解电容截止频率电感

李万峰

(中国空空导弹研究院8所，河南洛阳 471009)

电源系统的干扰是电子系统的主要噪声来源，也是影响系统正常工作的重要干扰源。因此，有效抑制电源系统的干扰成为提高电路抗干扰性能的重要环节。电源滤波电路种类较多，但经常使用的是文中介绍的两种主要滤波器。

1 RC滤波器

实际上直流电源存在内阻，交流信号流过内阻会在内阻上产生压降，这个压降是造成电路中有害干扰的根本原因。而采用RC滤波电路可有效抑制干扰。

图1 两级放大电路

如图1所示两级放大电路，假设电路中没有滤波电容C2，并假设某瞬间在VT1管基极上信号电压Ui在增大，设定为“+”。由于共发射极放大器的输出信号和输入信号相位相反，这样VT1管集电极上的信号电压相位为“－”，VT2管基电极信号电压相位为“－”(耦合电容C3不移相位)，VT2集电极的信号电压相位为“+”。由于直流电源V+不可避免地存在内阻R0，VT2管集电极信号电流流过R0时产生了信号压降，即电路中的B点有信号电压，且相位为“+”。电路中B点的这一信号经R4加到A点，A点信号电压相位也为“+”，通过R1加载到VT1管基电极自激，产生振荡，这便是多级放大电路中有害交链引起的电路自激。

在电路中加入电容C2后，与R4构成滤波器，电路中A点的信号被C2旁路到地端，而不能通过电阻R1加到VT1管基极，这样多级放大电路中不能产生正反馈，也就没有级间的交链现象，达到了消除级间有害交链的目的。而且电容C4对直流工作电压还有滤波作用。电阻R4的作用是进一步提高滤波效果，因为电路中B点的信号电压被R4和C2构成的低通滤波器衰减，比不加入R4时A点的信号电压还要小，所以滤波效果更好。R4除具有加强滤波的作用外，还为前级放大电路提供直流工作电压，直流电流流过R4后在其上有压降，这样降低了前级电路的直流工作电压，这对减小噪声很有帮助。

在多级放大电路中，至少每两级共发射极电路要设一节滤波电路，因为每一级共发射极放大器对信号电压反相一次，两级放大电路反相两次后信号电压的相位又成为同相，这就容易产生级间正反馈而出现自激。所以，级数较多的放大器中要设有多节滤波电路。

同样在由运放构成的多级放大电路中，各级间通过电源内阻的耦合形成相互间的影响是产生自激振荡的根本原因。因此，对于多级放大器，除了在电源进线端加装去耦滤波电容之外，还应在各级放大器间加RC滤波器。如图2所示为在一具有3级放大器中加接RC滤波器的情况。图中电源进线端去耦由一个大容量的电解电容C2和一个小容量的高频电容C1并联组成。电解电容提供低频去耦通道，小容量电容提供高频去耦通道。后续RC电路进一步滤除纹波，这样的去耦滤波电路使电路处于稳定的工作状态，对于高增益放大器(增益＞60 dB)，增设这种级间去耦滤波电路十分有效，否则极易形成自激振荡。

图2 多级放大电路中的去耦滤波器

对电源芯片的输出，电容要尽可能靠近输出管脚，以防止自激。笔者最初设计的电源就因电容离输出端的管脚远而发生过自激。

RC滤波器中电阻电容的选择要根据电路有效工作频率低于滤波器的截止频率为首要选择原则，截止频率的计算如式(1)所示。电阻的大小还要考虑电源压降，应不影响电路的直流工作点，封装尺寸要考虑功率耗散。

在电源去耦滤波电路中，大容量的电解电容旁边要并联一个小容量电容。因为电解电容是一种低频电容，它主要工作在频率较低的电路中，高频特性不好，容量大的电解电容其高频特性更差。大容量电解电容的等效电路是一个纯电容C0和一个纯电感L0的串联。当频率较高时C0的容抗减小，但L0的感抗增大，结果电容的阻抗增大，高频特性变差。大容量电解电容尤其是铝电容的电感成份较大，究其原因是铝电容的两极板由铝箔构成，铝箔是导体，为减小电解电容的体积而将铝箔卷起来。由电感结构可知，将一个导体卷起来会出现电感。由于大容量电解电容器容量大，铝箔更长，卷得更多，这样等效电感更大，高频特性更差。图3所示是铝电解电容的频率特性。由图可见，铝电解在频率高于25 kHz以后，阻抗变大，频率特性变差。但由于铝电解电容容量大，价格便宜，因此应用广泛。而且铝电解电容在偶然击穿后，由于电解质的作用，击穿处将重新形成氧化膜而自动恢复其绝缘性，这就是所谓的“自愈”性。

图3 铝电解电容频率特性

在滤波电路中，经常使用的另一类电解电容是钽电容，也是一种有极性的电解电容。与铝电解电容相比其优点是:体积小，易制成片状电容;容量/体积比大;温度使用范围宽，一般均能在－55～+85℃范围内工作，高者可在－125～+155℃条件下工作，而一般铝电解电容的温度范围是－40～+85℃，且此时电性能不如钽电容;具有更小的漏电流和更高的绝缘电阻以及更高的电性能;阻抗频率特性好，自身电感较小，自谐频率一般可达到50 kHz以上;因频率的升高而引起的电容量下降较铝电解电容小;存储性能好，使用寿命长，可靠性更高。但钽电解电容价格高，容量范围和工作电压范围不如铝电解电容宽。

在RC滤波器中，电容的容值要根据干扰频率进行选择。已有实验表明，干扰频率越高，所用电容越小，而且高频时，大电容已不起作用，小电容却起着关键的滤波作用。图4给出不同容值的聚酯电容的滤波特性，也可作为其他不同材料电容的频率特性的参考。

图4 不同容值的聚酯电容频率特性

2 LC滤波器

在高频电路中经常采用由电感、电容构成的LC滤波器。LC滤波器对滤波元件的要求比较高，云母以及高频瓷介电容器由于其串联电阻和自身电感都很小，是LC滤波器中主要使用的电容。

在LC滤波器中，正确选择滤波电路的形式非常重要，电路形式选择的依据是源端阻抗原则，电感、电容的大小根据频率选择。表1列出LC滤波器选用的阻抗失配端接原则，以及截止频率计算公式。电感L的大小要根据电流选择，直流电阻要小，Q值要高。电流大时电感要小些，以防止电感饱和导致电感减小。

由于电感在工作时，一方面线圈中的电流变化将在空间形成一个变化的磁通;另一方面，外部干扰磁通如果和线圈交链，将在线圈中产生一个噪声电动势，而不论线圈的绕法如何，这种情况都普遍存在。就对磁场的敏感性而言，有磁芯的电感比空心电感更敏感一些，这是因为构成磁芯材料的低磁阻特性能更多的收集外部磁场的磁力线的缘故。一般来说，开放式的磁芯比半开放的磁环漏磁通要大，而半开放式磁环的漏磁通又要比封闭式的磁罐大。一个密封性较好的磁罐所产生的漏磁通是相当小的，而一般的磁环或磁罐式线圈对磁场的敏感性都要小于普通空心线圈。因此，在选用电感时，从抗干扰的角度出发，优先选用漏磁通小的元器件。

高频电路极易拾取噪声信号，有时，即便是一小段导线或是器件的一段引线，处理不当都极易感应外界噪声而形成干扰。因此对高频电路除了采取电源滤波这些基本的电路措施之外，对整个电路的屏蔽和对导线的滤波也至关重要。为提高屏蔽罩的效果，所有进出屏蔽罩的引线，都应进行滤波，以防止外部噪声由导线传入罩内，在这种情况下通常采用穿心电容。由于同容量的穿心电容比标准的电容器具有更低的自感，因而在高频场合，尤其是穿过屏蔽罩的地方经常采用。对引线的滤波，一般可采用单电容，如云母或高频瓷介电容，但可以采用电感L如高频扼流圈及电容C组成π型滤波器，滤波效果将更好。如果在高频扼流圈的外部再加装隔离屏蔽罩，性能会更优越。所有高频滤波器中使用的电容器、扼流圈以及屏蔽罩的接地线应尽可能的短，以利于提高滤波效果。

除了分立的LC滤波器之外，在电路板上广泛使用三端滤波器。三端滤波器是将小磁珠与三引线端子式的电容器封装在一起，构成了T型电路，是种小型化的LC滤波器，高频滤波性能好，广泛应用在抑制电路板上的传导干扰和高频电磁辐射。陶瓷电容的大小决定于衰减的截止频率，容值越大，截止频率越低，选取滤波器时应以电路有效工作频率低于滤波器的截止频率为首要选择原则。使用这类滤波器需特别对电容到地的引线长度进行控制，长度越短，高频效果越好。