摘要：采用電路測(cè)量的方法設(shè)計(jì)一款通用濾波器，用來(lái)抑制數(shù)字電路板給直流供電電源帶來(lái)的噪聲干擾。介紹了雙探針測(cè)量技術(shù)，使用雙探針?lè)y(cè)量出直流供電電源和印制電路板在實(shí)際加電工作中的阻抗，用測(cè)量出的阻抗信息，選擇出合理的濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過(guò)計(jì)算確定元器件值，而并不需要反復(fù)做實(shí)驗(yàn)和付出額外的代價(jià)。通過(guò)實(shí)際進(jìn)行的測(cè)試，驗(yàn)證了這種濾波器的有效性和可行性。

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(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)電子產(chǎn)品中的幾塊PCB板常共用一個(gè)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(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)PCB上的電源EMI濾波器時(shí)，要么按照芯片資料的推薦電路來(lái)設(shè)計(jì)，要么通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定濾波器的布局和元器件值。但是對(duì)于一塊指定的PCB來(lái)說(shuō)，沒(méi)有通用的方法來(lái)設(shè)計(jì)EMI濾波器，這樣就造成了設(shè)計(jì)時(shí)的困難。該文的目標(biāo)是設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)出最優(yōu)的EMI濾波器。

為了測(cè)試這種設(shè)計(jì)，用線性電源(0~32V,5A)來(lái)給數(shù)字PCB供電。這樣選擇的線性電源不會(huì)引入高頻噪聲影響測(cè)試結(jié)果。直流輸入噪聲的時(shí)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(shí)域和頻域

EMI濾波器通常要削弱5次以上諧波來(lái)減少共用電源上其他電路引入的噪聲。然而如果測(cè)得的基礎(chǔ)噪聲頻率小于10MHz,設(shè)計(jì)時(shí)要濾掉9次諧波。

在該案例中，測(cè)的基礎(chǔ)噪聲主要在1MHz,測(cè)量帶寬是0~10MHz,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(cè)量方法測(cè)出，這樣就可以設(shè)計(jì)出有效抑制EMI的濾波器。

1.1 雙探針測(cè)量法

圖2簡(jiǎn)要地描述了雙探針測(cè)量供電電源輸出阻抗的基本理念。測(cè)量裝置如圖2(a)所示，供電電源串聯(lián)負(fù)載電阻R。2個(gè)探針?lè)謩e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(hào)。正常工作時(shí)，供電電壓6V,輸出電流3mA.因此等效電路選取R=2kΩ。

為了減少電流負(fù)載引起的干擾，把2個(gè)電流探針的等效電路接入電路。通過(guò)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。

圖2 雙探針測(cè)量阻抗裝置及等效電路

由圖2(b)知，環(huán)路電流為：

式中，Zsetup=ZR+ZM2+ZM1+rW+jωLW;ZX=ZPS。

環(huán)路中輸入信號(hào)的電壓為：

式中，M1為輸入探針與耦合環(huán)路的互感應(yīng)系數(shù);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(cè)得的探針阻抗。由接收探針測(cè)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：

式中，

為頻率特性參數(shù)。

Zsetup和k的值可通過(guò)一個(gè)用已知電阻代替ZPS等效電路求得。

由此ZPS可由式(4)求出，阻抗變化范圍20~120Ω。

把PCB電路板代替ZPS接入圖3中，PCB的輸入阻抗為：

ZT為實(shí)測(cè)的PCB連續(xù)阻抗，得出ZPCB變化范圍200~600Ω。

1.2 選擇濾波器

第1步應(yīng)選定濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。常用阻抗匹配的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有4種，分別是并聯(lián)電容、串聯(lián)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(lián)電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并聯(lián)電容的值要遠(yuǎn)小于ZPS ||ZPCB的并聯(lián)電容，若采用串聯(lián)電感拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，串聯(lián)電感的值要遠(yuǎn)大于ZPS+ZPCB的串聯(lián)電感，按并聯(lián)電容和串聯(lián)電感拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別估算出C和L的值為：

由于電感的計(jì)算值為550μH,其體積遠(yuǎn)大于電容的體積，因此選定并聯(lián)電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，等效電路如圖3所示。

圖3 并聯(lián)電容濾波器的等效電路

帶濾波器比不帶濾器時(shí)衰減值為：

由式(8)可以求出不同衰減對(duì)應(yīng)的電容值。例如，在1MHz時(shí)衰減6dB,對(duì)應(yīng)容值約為7nF。

1.3 驗(yàn)證

選取一只10nF電容并聯(lián)在PCB直流供電電源2端。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。圖4(a)為噪聲頻域圖，頻率1MHz的噪聲輻度由24dB減少至18dB。

圖4(b)為噪聲時(shí)域圖，均方根振幅由圖2(b)的11.03mV降到濾波后的4.98mV。

圖4 直流輸入噪聲的時(shí)域和頻域

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

2 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試證明基于電路測(cè)量方法，抑制數(shù)字電路板對(duì)供電電源的噪聲干擾的濾波器設(shè)計(jì)是有效的。需要設(shè)計(jì)抑制EMI濾波器時(shí)，都可以采用這種方法，計(jì)算出電源的輸出阻抗和數(shù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元件值，而不需要額外的試驗(yàn)和代價(jià)。

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