这类模块的残余纹波通常极低，这意味着在大多数应用中都可以使用输出滤波器。由于降压转换器的输入电流会产生脉冲，这可能会在应用中产生射频干扰。硬件开发人员会根据具体应用情况，决定是将输入滤波器直接放置在功率模块之前，还是放置在开关上的其他位置。本文将探讨优化功率模块的输入滤波器设计流程以及所使用的测量技术。.

首先，阐明差模噪声的产生机制很有帮助。差模噪声是指在开关控制器线路上，信号源和负载之间存在对称互易流的系统中产生的干扰信号。它从一条线路进入，从另一条线路输出。
 
在输入电路中，电源模块的时钟频率包含一个叠加在有用电流上的交流分量，其结构与流经电源模块储能电感的电流类似。输入电流流入输入电容Cin。如图2所示，实际的电容具有电阻分量（ESR）和电感分量（ESL）。
由于输入电容的ESR以及电源模块线路的阻抗，交流分量会产生不必要的电压降。

因此，噪声电压表现为差模信号。电容器输入端的干扰电压幅度主要取决于电容器的等效串联电阻（ESR）。电解电容器的ESR相对较高，范围从几毫欧到几欧姆不等。因此，干扰电压可能在几毫伏到几伏之间变化。另一方面，陶瓷电容器的ESR非常低，只有几毫欧，因此噪声电压也只有几毫伏。此外，电源模块电路板的设计也会对干扰电压产生显著影响。.

为了降低差模噪声，至少应在转换器输入端安装一个简单的LC滤波器，以最大限度地减少交流线路分量。在高阻抗系统中，理论上，此类输入滤波器可以在衰减频带内产生40 dB/十倍频程的电压衰减。实际上，由于终端阻抗的欧姆负载降低以及元件本身存在损耗，实际获得的衰减水平会更低。在确定LC滤波器的尺寸时，应选择低于电源模块开关频率“f”-“sw”的截止频率“f”-“c”。如果该系数为十分之一，理论上，在频谱幅度最大的开关频率处可以实现40 dB的插入损耗。“f”-
    “C”=“f”-“SW”/“10” (1)

LC滤波器的截止频率通常为：
        "f" _"C" "=" "1" /("2π∙" √("L" _"f" " ∙ " "C" _"f" )) (2)

例如，在计算滤波器时，选择电感为 10 µH，并将公式 (2) 转换为：
        "C" _"f" "=" "1" /(("2π ∙ 0.1 · " "f" _"sw" )^"2" "·" "L" _"f" ) (3)

关于滤波元件的布置，如图3所示，滤波电容可以放置在电源模块的电压源侧或输入侧。衰减电压源脉冲电流的决定性因素是滤波电感的电感值。.

当滤波器谐振频率过高时，需要调节的输入电压变化会导致振荡。此时的稳定性判据是：在较宽的频率范围内，输入滤波器的输出阻抗“Z”_“out,filter”必须低于功率模块的输入阻抗“Z”_“in,converter”
    
        。

此外，输入滤波器的截止频率“f”_“c”必须远低于电源模块的过渡频率“f”_“co”。.

        "f" _"c,filter" "≪ " "f" _"co,converter" (5)

图 4 展示了如何实现这一点，即在电源模块的输入端并联一个衰减器支路。
 
该衰减器会降低输入滤波器的品质因数，从而降低其在谐振频率处的输出阻抗。公式 (6) 可用于计算品质因数 Q = 1 的滤波器的衰减电阻 R_d：
        R_d = √(L_f / C_f) (6)

    实践中已确立的衰减电容器容量“C”_“d”的指标值是滤波电容器电容的五到十倍。
        (5 ∙ “ C”_“f” “)

或者，也可以通过选择一个与滤波器输出端并联的电解电容器来衰减滤波器，而不是使用衰减器。通常情况下，电解电容器的ESR值足以衰减滤波器。.

LC滤波器元件的选择：
电容器和电感器在实际应用中同时表现出容性和感性。滤波电感器在其自谐振频率（SRF）处具有最佳滤波效果。对于电感器，SRF 强烈依赖于电感值和绕组匝间的容性耦合。对于电容器，SRF 强烈依赖于电容值和端子长度。因此，在选择滤波元件时，建议确保 SRF 位于射频干扰（RFI）电压最大频率范围的上限，或者反过来说，位于滤波器有效工作频率范围的上限。
滤波电感器是差模噪声抑制的关键因素，因为它能够抵消输入电路中电流的快速上升和下降。图 5 显示了基于伍尔特电子 WE-SD 产品系列示例的三个圆柱形磁芯电感器的阻抗曲线。
 
电感值越高，SRF 越低。建议选择电感值小于滤波电容电容值的电感器。实际上，通常选择最大电感值为 10 µH 的滤波电感，因为根据设计，这种电感的自谐振频率约为 30 MHz。
超过电感滤波电流的额定值可能会损坏绕组。根据开关控制器的效率，可以使用公式 (8) 计算电源模块的有效输入电流。
        “I_in” = “ (V_out” ∙ “ I_out” )/(V_in” ∙ η ) (8)

    出于安全考虑，应选择高于滤波线圈额定电流的电容值。
滤波电容可以是液态电解电容、聚合物电容，甚至是陶瓷电容。唯一需要考虑的是截止频率处的滤波效果足够低（参见第4节）。

在确定π型滤波器的尺寸时，必须考虑其他因素。理想情况下，输入滤波器应尽可能靠近电源模块的输入端。如果由于几何限制，输入滤波器与电源模块之间的距离较远，则在高频下，走线可能会起到天线的作用，干扰输入滤波器和电源模块之间的信号。走线电感还可以与陶瓷电容器配合使用，以创建一个具有更高截止频率的附加LC滤波器（参见图6）。由于陶瓷电容器的等效串联电阻（ESR）极低，因此可以轻松地将高频电压短路到地，且阻抗很低。
 
电容器的自谐振频率（SRF）应大致位于电源模块的开关频率范围内。为了说明这一点，图7显示了伍尔特电子（Würth Elektronik）生产的0805封装的WCAP-CSGP陶瓷电容器的阻抗曲线。
 

例如，在图7所示的元件中，对于2 MHz的时钟频率，1 µF的电容器就足够了（谐振频率以红色标记）。即使是100 nF的陶瓷电容器（谐振频率以蓝色标记），这种电容器常被用作许多电子电路中的隔直电容器，在这些数值下也是合适的选择。但需要注意的是，与1 µF的电容器相比，100 nF电容器的等效串联电阻（ESR）高出九倍。

输出滤波器的选型：
市面上的一些电源模块，例如伍尔特电子的 MagI³C 电源模块，其输出纹波极小，因此并非绝对需要输出滤波器。然而，如果开关控制器提供的元件通过接口（例如传感器开关、模拟开关电路）隔离干扰信号，则可能需要输出滤波器来滤除输出电压。
 
图 6 所示的电路图展示了一个输出滤波器，与图 8 所示的输出滤波器类似。通常无法对输出滤波器的必要性和有效性做出明确的判断，因为它必须根据具体应用进行单独选型。输出滤波器可用于将电源模块的纹波降至绝对最小值，或者用于减少不必要的次谐波振荡。滤波器的选型方法已在第 3 节中描述。​​在这种情况下，无需衰减滤波器的谐振频率。

噪声电压测量：    
噪声电压的测量依据基本标准IEC CISPR 16-2-1，该标准描述了可测量的干扰变量类型、不同接口所需的设备以及台式和落地式设备的测量配置。干扰评估的频率范围为9 kHz至30 MHz。测量设备除EMI接收机外，还包括各种线路阻抗稳定器（LISN）、电压检测器、钳形表和电容耦合器。在台式测量配置中（如图9所示），被测设备（DUT）放置在参考接地平面上的非导电桌面上。桌面高度应为40 cm。如果同时存在垂直参考接地平面，则桌面高度应至少为80 cm。LISN必须连接到接地平面以确保良好的导电性。DUT本身及其所有连接的电缆必须距离接地平面至少40 cm。DUT
 
与LISN之间的电缆长度不得超过80 cm。 EMI 接收器评估在 LISN 处针对电缆的不同导体解耦的非对称噪声电压。

辐射噪声测量
测量 30 MHz 以上辐射噪声的方法在基本标准 IEC CISPR16-2-3 中有所描述。测量环境通常是导电底板的消声室，或者规模较小的消声室。同样，被测设备 (DUT) 放置在非导电的桌面上（对于便携式或台式设备，参见图 10）或地板上。为了使 DUT 在测量过程中能够在预定状态下绕自身轴线旋转，将其放置在转台上。在较大的消声室中，接收天线位于距离 DUT 10 米处，并在测量过程中调整其高度，以找到每个测量频率（频谱峰值）下的最大电场强度。天线的方向也会发生变化（水平极化和垂直极化）。在较小的消声室中，天线与 DUT 之间的距离应为 3 米。由于需要校正天线高度，因此省略高度扫描，并且天线与被测设备 (DUT) 之间的接地层必须覆盖吸音材料。
 
案例研究——噪声电压测量
以下部分以配备可调降压稳压器模块 (171 020 601) 的 Würth Elektronik MagI³C 功率模块评估板为例，描述噪声电压的测量过程。

即使在初步阶段，也可以使用示波器测量电源模块输入端的交流分量。通过进行时域分析，可以在滤波器设计过程开始时估算预期的干扰频谱。.

 
图 11 显示了在电源模块输入电压为 7.5 V、平均输入电流为 1.2 A、平均负载电流为 2 A 的条件下测得的 80 mV 交流分量。从电源角度来看，开关控制器可能表现出负差分电阻。输入电流随输入电压的降低而增大。因此，噪声电压是在“最坏情况”条件下测量的：最小输入电压，最大电流。
然而，分析此类噪声发射的关键因素仍然是噪声电压测量，例如在 EMC 实验室进行的测量。图 12 显示了未使用输入滤波器时的噪声电压测量结果。

该电源模块的工作时钟频率为 370 kHz。在干扰频谱中，最高幅度（红色峰值：68 dBµV）可在此频率下测量。噪声电压幅度密度以大约 40 dB/十倍频程的速率下降，这意味着在 15 次谐波以上无法观察到明显的干扰。然而，仅在 9 次谐波以上，干扰水平才比标准检测器的限值（深蓝色线）低 10 dB 以上。.

现在可以使用第 3 节中的公式 (3) 来计算合适的 LC 输入滤波器。由于开关频率相对较低，因此选择一个自谐振频率 (SRF) 低、电感值为 4.7 µH 的电感器，并计算滤波器电容。
    
        “C”_“f”“=”“1”/(〖“(2π ∙ 0.1 ∙ 370 kHz)” 〗^“2”“∙ 4.7 µH” )“= 3.9 µF” (9)

所选滤波电容的电容值略大于 10 µF。最大输入电流使用第 3 节中的公式 (8) 计算。.

此计算需要评估板的效率，该效率通过测量确定，在本例中为 91%。
“I”_“in”“=”“5 V ∙ 2 A”/“6 V ∙ 0.91”“= 1.83 A”。
基于滤波器电感和输入电流的计算结果，现在可以选择合适的电感器。为此，我们选择了 Würth Elektronik PD2 系列的 5820 型非屏蔽电感器。图 13 显示了使用先前确定的滤波器进行噪声电压测量的结果。

在 370 kHz 开关频率下测得的干扰电平为 30 dBµV。所有谐波的电平均低于 20 dBµV，因此已得到充分衰减。370 kHz 处的平均电平对应于最大值，比 47 dBµV 的平均限值低 18 dB。在实际的传导干扰测量中，这种信噪比足以验证测量的准确性。
测量噪声电压的目的是为了展示在时域分析干扰势的实用性；然而，频域分析仍然至关重要。
最后，可以使用第 3 节中的公式计算衰减电阻。
“R”_“d”“ =” √(“4.7 µH” /“10 µF” )“ = 0.686 Ω”。
衰减电阻的值越高，滤波器谐振的衰减就越大。在这种情况下，可以选择 E12 系列中阻值次大的 1 Ω 电阻。
衰减电容的容量选择为 47 µF。例如，可以选择 Würth Elektronik eiCap 系列的 WCAP CSGP 陶瓷电容。

根据 IEC CISPR 22 标准进行测量。
上述测量按照 IEC CISPR 16-2-1 标准执行，如第 8 节所述。使用 LISN 实现了非对称电压去耦和对非对称电压（共模）的适应，随后将其与 IEC CISPR 标准中针对私人和商业用途设备（B 类）的限值进行比较。对于电源组件（包括所有类型的开关控制器），没有直接适用的 EMC 标准。必须将开关控制器使用的整个应用场景归类到特定的设备类别，然后根据适用于该产品或产品系列的相应标准进行测试。在本例中，针对 IT 安装的 IEC CISPR 22 标准仅用作限值的参考，这些限值也在通用标准 IEC 61000-6-3 中规定。在没有针对特定设备的标准的情况下，可以使用通用标准。

摘要：
无论交流元件的尺寸大小，输入滤波器对于开关控制器的电磁兼容性（EMC）验证而言都是不可或缺的因素。可以使用易于应用的公式单独计算此类输入滤波器。在公式中同时考虑滤波器和开关控制器的阻抗，可以防止振荡，并确保开关控制器自身的控制稳定性。滤波器元件的特定选择是实现最佳滤波器设计的基础。硬件开发人员凭借足够的EMC测试方法技术专长，可以根据特定用途设计开关，并在必要时对滤波器本身进行各种调整。

作者：Ranjith Bramanpalli 和 Steffen Schulze