抑制PCB對直流電源噪聲干擾的濾波器設計

劉春曉,王 黎

(深圳市遠東華強導航定位有限公司,廣東深圳518026)

0 引言

為抑制電磁干擾(EMI),通常在印制電路板(PCB)的輸入電源端放置EMI濾波器。在實際應用中,一個電子產品中的幾塊PCB板常共用一個直流供電電源,這樣造成一塊PCB上的噪聲干擾到另外一塊PCB上的電路。使用電源濾波器可以抑制共用一路電源的PCB板間的耦合噪聲。

1 方案設計

設計PCB上的電源EMI濾波器時,要么按照芯片資料的推薦電路來設計,要么通過試驗來確定濾波器的布局和元器件值。但是對于一塊指定的PCB來說,沒有通用的方法來設計EMI濾波器,這樣就造成了設計時的困難。該文的目標是設計一種通用濾波器,但前提條件是PCB上的噪聲、阻抗和電源是已知的或是可求的。在已知噪聲和阻抗的情況下可以設計出最優的EMI濾波器。

為了測試這種設計,用線性電源(0～32 V,5 A)來給數字PCB供電。這樣選擇的線性電源不會引入高頻噪聲影響測試結果。直流輸入噪聲的時域和頻域圖如圖1所示。圖1中可以看出,頻率1MHz的噪聲最大,因此EMI濾波器要抑制頻率為1MHz的噪聲。

圖1 直流輸入噪聲的時域和頻域

EMI濾波器通常要削弱5次以上諧波來減少共用電源上其他電路引入的噪聲。然而如果測得的基礎噪聲頻率小于10 MHz,設計時要濾掉9次諧波。在該案例中,測的基礎噪聲主要在1 MHz,測量帶寬是0～10 MHz,包含9次諧波噪聲。PCB的供電電源輸出阻抗和直流輸入阻抗可用雙探針電路測量方法測出[1],這樣就可以設計出有效抑制EMI的濾波器。

1.1 雙探針測量法

圖2簡要地描述了雙探針測量供電電源輸出阻抗的基本理念。測量裝置如圖2(a)所示,供電電源串聯負載電阻R。2個探針分別接至矢量分析儀(VNA)(R&S-ZVB8)的端口1和端口2上,并接入電路用于輸入和接收信號。正常工作時,供電電壓6 V,輸出電流3 mA。因此等效電路選取R=2 kΩ。為了減少電流負載引起的干擾,把2個電流探針的等效電路接入電路。通過把雙探針接入電路反映出的阻抗特性,等效電路如圖2(b)所示。雙探針的阻抗分別為ZM1和ZM2,LW和rW為等效電感和電阻,VM1為VNA端口1的等效電壓[2]。

圖2 雙探針測量阻抗裝置及等效電路

由圖2(b)知,環路電流為:

式中 ,Zsetup=ZR+ZM2+ZM1+rW+j ωLW;ZX=ZPS 。

環路中輸入信號的電壓為:

式中,M1為輸入探針與耦合環路的互感應系數;V1為VNA端口1的輸出電壓;Z1為端口1的輸出阻抗;ZP1為從端口1測得的探針阻抗。由接收探針測得的IW為:

這里V2為VNA端口2接收電壓,ZT2為由是制造商給出的接收探針阻抗,將式(2)和式(3)代入式(1),可求出供電電源的阻抗為:

Zsetup和k的值可通過一個用已知電阻代替ZPS等效電路求得,詳細過程參見文獻[1]～文獻[4]。由此ZPS可由式(4)求出,阻抗變化范圍20～120 Ω。

把PCB電路板代替ZPS接入圖3中,PCB的輸入阻抗為:

ZT為實測的PCB連續阻抗,得出ZPCB變化范圍 200～600 Ω。

1.2 選擇濾波器

第1步應選定濾波器拓撲結構。常用阻抗匹配的拓撲結構有4種,分別是并聯電容、串聯電感、L-C回路和C-L回路。ZPS和ZPCB的阻抗都在幾十歐至幾百歐間,若采用并聯電容拓撲結構,并聯電容的值要遠小于ZPS‖ZPCB的并聯電容,若采用串聯電感拓撲結構,串聯電感的值要遠大于ZPS+ZPCB的串聯電感,按并聯電容和串聯電感拓撲結構分別估算出C和L的值為:

由于電感的計算值為 550 μ H,其體 積遠大于電容的體積,因此選定并聯電容拓撲結構,等效電路如圖3所示。

圖3 并聯電容濾波器的等效電路

帶濾波器比不帶濾器時衰減值為:

由式(8)可以求出不同衰減對應的電容值。例如,在1MHz時衰減6 dB,對應容值約為7 nF。

1.3 驗證

選取一只10 nF電容并聯在PCB直流供電電源2端。測試結果如圖4所示。圖4(a)為噪聲頻域圖,頻率1 MHz的噪聲輻度由24 dB減少至18 dB。圖4(b)為噪聲時域圖,均方根振幅由圖2(b)的11.03 mV降到濾波后的4.98 mV。

選取一只2.2 nF電容并聯在PCB直流供電電源2端。頻率1M的噪聲輻度由24 dB減少至22.8 dB。

圖4 直流輸入噪聲的時域和頻域

2 結束語

通過測試證明基于電路測量方法,抑制數字電路板對供電電源的噪聲干擾的濾波器設計是有效的。需要設計抑制EMI濾波器時,都可以采用這種方法,計算出電源的輸出阻抗和數字電路板的輸入阻抗,得出的阻抗信息可以確定EMI濾波器的拓撲結構和元件值,而不需要額外的試驗和代價。

[1]SEEK Y.Measurement of Noise Source Impedance of SMPS Using a Two Probes approach[J].Power Electronics,IEEE Transactions,2004,19(3):862-868.

[2]陳惠開.無源與有源濾波器——理論與應用[M].北京:人民郵電出版社,1989.