电源滤波技术

摘要 良好的电源滤波技术是电路系统稳定可靠工作的保证。文中介绍了电源滤波中常用的RC滤波器和LC滤波器，以及两种滤波器的使用方式、设计方法和滤波器件选用方法。对实现完好的电路设计有益。
关键词 电源滤波；RC滤波器；LC滤波器；截止频率

电源系统的干扰是电子系统的主要噪声来源，也是影响系统正常工作的重要干扰源。因此，有效抑制电源系统的干扰成为提高电路抗干扰性能的重要环节。电源滤波电路种类较多，但经常使用的是文中介绍的两种主要滤波器。

1 RC滤波器
实际上直流电源存在内阻，交流信号流过内阻会在内阻上产生压降，这个压降是造成电路中有害干扰的根本原因。而采用RC滤波电路可有效抑制干扰。
如图1所示两级放大电路，假设电路中没有滤波电容C2，并假设某瞬间在VT1管基极上信号电压Ui在增大，设定为“+”。由于共发射极放大器的输出信号和输入信号相位相反，这样VT1管集电极上的信号电压相位为“-”，VT2管基电极信号电压相位为“-”(耦合电容C3不移相位)，VT2集电极的信号电压相位为“+”。由于直流电源V+不可避免地存在内阻R0，VT2管集电极信号电流流过R0时产生了信号压降，即电路中的B点有信号电压，且相位为“+”。电路中B点的这一信号经R4加到A点，A点信号电压相位也为“+”，通过R1加载到VT1管基电极自激，产生振荡，这便是多级放大电路中有害交链引起的电路自激。

在电路中加入电容C2后，与R4构成滤波器，电路中A点的信号被C2旁路到地端，而不能通过电阻R1加到VT1管基极，这样多级放大电路中不能产生正反馈，也就没有级间的交链现象，达到了消除级间有害交链的目的。而且电容C4对直流工作电压还有滤波作用。电阻R4的作用是进一步提高滤波效果，因为电路中B点的信号电压被R4和C2构成的低通滤波器衰减，比不加入R4时A点的信号电压还要小，所以滤波效果更好。R4除具有加强滤波的作用外，还为前级放大电路提供直流工作电压，直流电流流过R4后在其上有压降，这样降低了前级电路的直流工作电压，这对减小噪声很有帮助。
在多级放大电路中，至少每两级共发射极电路要设一节滤波电路，因为每一级共发射极放大器对信号电压反相一次，两级放大电路反相两次后信号电压的相位又成为同相，这就容易产生级间正反馈而出现自激。所以，级数较多的放大器中要设有多节滤波电路。
同样在由运放构成的多级放大电路中，各级间通过电源内阻的耦合形成相互间的影响是产生自激振荡的根本原因。因此，对于多级放大器，除了在电源进线端加装去耦滤波电容之外，还应在各级放大器间加RC滤波器。如图2所示为在一具有3级放大器中加接RC滤波器的情况。图中电源进线端去耦由一个大容量的电解电容C2和一个小容量的高频电容C1并联组成。电解电容提供低频去耦通道，小容量电容提供高频去耦通道。后续RC电路进一步滤除纹波，这样的去耦滤波电路使电路处于稳定的工作状态，对于高增益放大器(增益>60 dB)，增设这种级间去耦滤波电路十分有效，否则极易形成自激振荡。

对电源芯片的输出，电容要尽可能靠近输出管脚，以防止自激。笔者最初设计的电源就冈电容离输出端的管脚远而发生过自激。
RC滤波器中电阻电容的选择要根据电路有效工作频率低于滤波器的截止频率为首要选择原则，截止频率的计算如式(1)所示。电阻的大小还要考虑电源压降，应不影响电路的直流工作点，封装尺寸要考虑功率耗散。

在电源去耦滤波电路中，大容量的电解电容旁边要并联一个小容量电容。因为电解电容是一种低频电容，它主要工作在频率较低的电路中，高频特性不好，容量大的电解电容其高频特性更差。大容量电解电容的等效电路是一个纯电容C0和一个纯电感L0的串联。当频率较高时C0的容抗减小，但L0的感抗增大，结果电容的阻抗增大，高频特性变差。大容量电解电容尤其是铝电容的电感成份较大，究其原因是铝电容的两极板由铝箔构成，铝箔是导体，为减小电解电容的体积而将铝箔卷起来。由电感结构可知，将一个导体卷起来会出现电感。由于大容量电解电容器容量大，铝箔更长，卷得更多，这样等效电感更大，高频特性更差。图3所示是铝电解电容的频率特性。由图可见，铝电解在频率高于25 kHz以后，阻抗变大，频率特性变差。但由于铝电解电容容量大，价格便宜，因此应用广泛。而且铝电解电容在偶然击穿后，由于电解质的作用，击穿处将重新形成氧化膜而自动恢复其绝缘性，这就是所谓的“自愈”性。

在滤波电路中，经常使用的另一类电解电容是钽电容，也是一种有极性的电解电容。与铝电解电容相比其优点是：体积小，易制成片状电容；容量／体积比大；温度使用范围宽，一般均能在-55～+85℃范围内工作，高者可在-125～+155℃条件下工作，而一般铝电解电容的温度范围是-40～+85 ℃，且此时电性能不如钽电容；具有更小的漏电流和更高的绝缘电阻以及更高的电性能；阻抗频率特性好，自身电感较小，自谐频率一般可达到50 kHz以上；因频率的升高而引起的电容量下降较铝电解电容小；存储性能好，使用寿命长，可靠性更高。但钽电解电容价格高，容量范围和工作电压范围不如铝电解电容宽。