为降压变换器设计适当的输入滤波器

Oleg Volfson

Seema Venkatesh

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引言

DC/DC 变换器中的输入滤波器设计对电源变换器的性能，以及整个系统设计的可靠性、电磁干扰 (EMI) 和电磁辐射特性，都有着显著的影响。

本文将探讨如何针对在同一电压总线上搭载单个或多个 DC/DC 变换器的应用电路板，优化其输入滤波器的设计。适当的输入滤波器不仅能最大限度地降低成本和减少元件数量，还能确保电路稳定性、满足 EMI 合规要求，并改善输入电压瞬态响应及输出负载瞬态响应。

概述

一个设计良好的降压 DC/DC（buck）变换器输入滤波器必须实现以下目标：

为变换器提供足够低的输入阻抗，以维持变换器的稳定性，并防止输出负载瞬变时，输入电压(V_IN)出现过大的波动；
衰减输入端的高频噪声，并防止这些噪声注入电路板的地平面或信号走线中；
帮助减弱衰减由输入源或外部源的电磁耦合所引起的任何 VIN尖峰或瞬态干扰。

为实现这些目标，设计人员需要评估并了解电路行为、输入电源以及环境特性。

图 1 展示了一个基本降压变换器电路，以及 SWA 导通时对应的波形。

图 1：基本降压变换器电路（SWA 导通）

图 2 所示为基本降压变换器电路及 SWB 导通时对应的波形。

图 2：基本降压变换器电路（SWB 导通）

图 3 所示为变换器的开关节点电压波形。

图 3：变换器开关节点电压波形m

图 4 所示为 SWA 电流波形。

图 4：变换器 SWA 电流波形

图 5 所示为 SWB 电流波形。

图 6 所示为变换器的输出电感电流波形。

图 6：变换器输出电感电流波形

应用电路板的物理设计、输入电源类型及其与 DC/DC 变换器的连接方式，决定了是否需要输入电感。若需要电感，这些参数同时也决定了应选用何种类型的电感（差模或共模）以及合适的阻抗值。然而，即使不使用实际的电感元件，寄生电感也总是存在的，因为传输线特性会给电源输出端带来一定的阻抗。这种固有的寄生电感会影响下游 DC/DC 变换器的工作特性。

目标 1：低输入阻抗

为补偿阻抗，实现输入滤波器的第一个目标，设计人员需要在 DC/DC 变换器的输入端增加大容量输入电容。具体设计中所需的电容数量取决于输出负载特性、变换器带宽以及所使用的大容量电容特性，例如降额后的电容值、等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）。此外还要了解，连接至同一输入电源轨/总线的多个独立电源变换器通常可以共享大容量电容。

为了将 V_IN 偏移保持在规定范围内，变换器所需的最小输入大容量电容 (C_{IN_BULK})可通过公式（1）计算：

\[ C_{\mathrm{IN\_BULK}} = \frac{1.21 \times (\Delta I_l)^2 \times L_l}{\Delta V_{\mathrm{TR}}^2} \]

其中，ΔI_I 为输入电流阶跃，L_I 为总输入电感，ΔV_TR为可接受的最大 V_IN 偏差。

输入电流阶跃 (I_I) 与输出电流(I_OUT) 阶跃有关，可通过公式（2）进行估算：

\[ \Delta V_I = (\Delta I_{\mathrm{OUT}}) \times \frac{V_{\mathrm{OUT}}}{V_{\mathrm{IN}} \times \eta} \]

变换器的最小输入阻抗可通过公式（3）计算：

\[ Z_{\mathrm{IN\_MIN}} = \frac{V_{\mathrm{IN}}^2}{\eta \times V_{\mathrm{OUT}} \times I_{\mathrm{OUT}}} \]

其中， V_IN为输入电压， V_OUT 为输出电压， I_OUT 为稳态输出电流，η 为变换器效率。

确保输入滤波器不会对开关电源的稳定性产生不利影响至关重要。为此，输入滤波器应满足 Middlebrook 准则，即开关电源的输入阻抗必须大于输入滤波器的输出阻抗。

目标 2：衰减高频噪声

为尽可能降低高频噪声实现第二个目标，设计人员通常需要在输入端使用低 ESR 陶瓷电容。所需并联电容的数量取决于电容吸收输入纹波电流的能力。输入纹波电流的大小可通过公式（4）进行估算：

\[ I_{\mathrm{IN\_RMS}} = \sqrt{D \times (1-D) + \frac{1}{12} \times \left(\frac{V_{\mathrm{OUT}}}{L_X f_{\mathrm{SW}}}\right)^2 \times (1-D)^2 \times D} \]

其中，D 为变换器占空比，L 为输出电感， V_OUT 为输出电压， f_SW 为开关频率。

此外，还需要考虑 DC 偏置、温度以及介电材料组成对陶瓷电容特性的影响。设计人员不能简单地依据这些电容的标称电容值和 ESR 值进行设计，还需研究器件数据手册，确认这些参数在实际工作条件下会受到什么影响。

为确保这些电容能够有效的工作，需要尽可能减小输入电容与变换器 IC 端子之间的寄生串联电感。图 7 所示为采用 MP8796 同步降压变换器时的优化布局示例。如图所示，输入电容(C_IN1 和 C_IN2) 被放置在靠近 IC 输入引脚的输入电流和回流电流路径上。为衰减减弱输入纹波，这些器件应尽可能靠近上管 FET 的漏极和同步 FET 的源极，并添加一个额外电容(C_IN3)。

图 7：MP8796 变换器推荐布局

图 8 所示为输入电容放置不当的示例。其中，仅有一个小型陶瓷电容（红框所示）以最小寄生电感实现有效连接；而其他电容（黄框所示）虽然在电气连接上属于同一节点，但较大的电容在其端子与电源变换器端子之间产生更高的寄生电感，这意味着其阻抗过高，无法有效滤除高频噪声。

此外还需要注意，输入电流波形边沿对应的等效频率明显高于电源变换器的基本开关频率 f_SW，其范围通常为 1 MHz 到数十 MHz。

图 8：智能功率级的应用布局

目标 3：衰减 V_IN 尖峰

为实现第三个目标衰减 V_IN 尖峰，需要根据设计规格和特性，在设计过程中考虑多项措施。请遵循以下步骤：

在输入端增加共模滤波器和差模滤波器（由电感和电容组合构成），以抑制/衰减输入端的噪声。需要注意的是，如前文所述，增加这些滤波器会提高输入阻抗，从而可能影响变换器的稳定性和动态特性。
优化电路板上的电源走线布局，尽可能减小寄生回路。虽然输入端可以通过较短的走线连接，并将电容放置在靠近变换器端子的位置，但输入电流的回流路径通常会在电路板上迂回经过输入电容的 GND 连接，形成较大的电流回路，从而大幅降低其有效性。
将地平面视为电源结构的一部分，而不是等电势点。
尽可能缩短开关节点，并确保通过 GND 和/或电源平面将其与敏感走线隔离。

结论

开关电源的输入滤波器设计应遵循整体性的方法，并进行审慎评估，以实现可靠且性能良好的解决方案。请谨记设计输入滤波器的三个主要目标：实现低输入阻抗、衰减高频噪声，以及降低 V_IN尖峰。

本文阐述了如何为 MP8796 等开关模式变换器设计输入滤波器，从而在设计验证阶段节省时间、减少资源投入，并改善整体性能。如果能够在设计初期充分考虑这些因素，则无需过度设计，也无需在后期阶段投入额外资源，即可将性能良好的变换器集成到电路板设计中。欢迎继续探索 MPS 的降压变换器产品系列，为您的应用寻找合适的解决方案。