常用濾波器架構及其對轉換器特性的影響

電源轉換器將交流電壓轉換成直流電壓，但直流電壓中的交流成分無法完全消除，而且會造成系統的不穩定。使用濾波器可抑制漣波而提高整體系統精準度。

本文章將介紹常見的濾波器架構，以及電源轉換器加上濾波器後的量測結果。

 

1. 濾波器架構

濾波器用來對特定頻率範圍內的訊號完整通過，而快速衰減其他頻率成分的訊號，代表電路利用濾波器去抑制干擾雜訊而保留特定的訊號。常見低通濾波器是由電容、電感所組成的電路，作用是降低印刷電路板的銅箔導線上的電磁干擾與諧振波上的高頻雜訊，而根據不同場合的應用，適合的架構也不同。以下將舉例幾個常見的低通濾波器架構。

• 電容濾波器

電源轉換器的輸入電源端對地之間並聯電容器，基本原理是利用電容器的阻抗會隨著頻率增加而減少，使得高頻訊號直接旁路到地而不會進入原電路，如圖1所示。

不同電容的材質也會影響濾波效果，例如電解電容的體積占用不少電路板的空間，卻有更高的耐壓和容量選擇；陶瓷電容的電容值和耐壓上範圍較小，但有低ESR且佔用空間小等優勢。

• 電感濾波器

電源轉換器的輸入電源線與原電路之間串聯電感器，基本原理是利用電感器的阻抗會隨著頻率增加而上升，使得高頻訊號路徑斷路而不會進入原電路，如圖2所示。

電感濾波器適用於高電流低電壓的場合，因為應用於高電流環境，使得元件的電壓降會造成輸出電壓降低，因此電感濾波器後的輸出電壓略小於電容濾波器。

• π型濾波器

於輸入電源和原電路輸入正端之間串聯一個電感(L)，而一個電容(C1)跨接輸入電源端跟地、另一個電容(C2)跨接原電路輸入正端跟地。如下圖所示 :

相較於前兩種架構，π型濾波器為一種二級濾波器，其中電容(C1)和電感(L)視為第一級低通濾波器，可以濾除大部分的交流成分，再經過旁路電容(C2)可以過濾高頻雜訊，進而到更加濾波效果。輸入雜訊頻率一旦超過π型濾波器的轉角頻率，將會被快速衰減。因此依照不同頻率需求而設計電感電容值。

• 低通濾波器設計方向

電源轉換器內部有開關元件，當開關切換的過程中容易產生電壓雜訊，再透過變壓器耦合到二次側。由此可知濾波器濾除的雜訊頻率約為電源轉換器之操作頻率。由式(1)設計電容值與電感值。

C₁為電容值，f_c為轉換器工作頻率，L 為電感值 。

• 旁路電容設計方向

旁路電容主要為濾除交流雜訊，適合選擇低等效串聯電阻的電容值，而且諧振頻率需接近切換頻率。另外避免選擇電容值過大而產生浪湧電流現象。

2. 實驗

電源轉換器增加低通濾波器後會改變負回授增益以及相位，進而影響暫態響應、開關機時間，甚至嚴重會造成系統震盪或是功能異常。因此設計濾波器前應先評估電源轉換器規格。電源轉換器規格如下 : 

表1. 電源轉換器規格表

輸出功率	40W
輸入電壓	9-36Vdc, Nom.24Vdc
輸出電壓	5Vdc
滿載輸出電流	8A
轉換效率	89%
工作頻率	350kHz

電源轉換器的工作頻率為350kHz，而主要的雜訊頻率約為工作頻率，因此π濾波器的半功率點設計在工作頻率的1/10，達到衰減高頻雜訊的目的。首先設定低通濾波器電容(C1)為4.7µF，而電感值計算過程如下。

旁路電容使用2.2nF，以致濾除更高頻的雜訊。

針對上述的濾波器種類再配合不同的電容值或電感值作測試，將所有的實驗數據製作成圖，如下 : 

從圖5能觀察出加入了各種濾波器後，有效地降低輸出漣波電壓。即使是相同類型的濾波器也會受到元件不同，而抑制漣波程度也有所差異。

 

3. 結論

本文淺談的介紹不同架構的低通濾波器，以及針對高頻雜訊頻率範圍，該如何設計合適低通濾波器的電容值與電感值，最後經實驗結果得知π型濾波器是最有效濾除電源轉換器的高頻雜訊。

 

 

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