在便攜式儀器中，只能使用電池為系統(tǒng)供電。通常電池電壓比較低，系統(tǒng)中經(jīng)常需要使用小功率開關(guān)電源電路對低電壓進(jìn)行電壓變換，滿足系統(tǒng)中不同功能模塊的需求。然而，使用開關(guān)電源必將引入紋波噪聲，如何降低該紋波噪聲成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題。開關(guān)電源的紋波抑制器通常使用C型、LC型、CLC型無源濾波器。pi型三階低通CLC濾波器由于其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，性能高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)開關(guān)電源的公式，輸出紋波和輸出電容值成反比，電感內(nèi)電流波動(dòng)大小和電感值成反比。理論上使用標(biāo)稱值大的電容、電感可以得到較好的紋波抑制效果。實(shí)際應(yīng)用中，CLC電路中不同類型的電解電容及不同標(biāo)稱值的電容、電感對電源紋波的抑制效果究竟有什么樣的影響尚無相關(guān)文章指出。因此，有必要對CLC濾波電路進(jìn)行實(shí)際測試研究。

本文采用MAX606設(shè)計(jì)了12V的小功率開關(guān)電源，使用CLC濾波器對電源輸出紋波進(jìn)行抑制。通過使用不同類型電解電容及不同標(biāo)稱值的電容、電感，研究了CLC濾波器的特性，得到了降低小功率開關(guān)電源紋波的簡單方法。

1.電路設(shè)計(jì)

MAX606是一款小型CMOS升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器，其輸入范圍3.0～5.5V，輸出固定5V/12V或可調(diào)輸出范圍Vin～12.5V，精度為4%。MAX606的開關(guān)頻率高達(dá)1MHz，在5V輸出時(shí)可提供高達(dá)180mA的電流，廣泛應(yīng)用于PCMCIA卡、存儲卡、數(shù)碼相機(jī)和手持式儀器中。

設(shè)計(jì)電路如圖1所示，測試時(shí)輸入端使用3.6V的鋰電池進(jìn)行供電，使用pi型CLC低通濾波電路對MAX606輸出端進(jìn)行紋波濾波。

圖1虛線框內(nèi)為CLC濾波電路，通過更改Cin、Cout、L1的相關(guān)參數(shù)，研究其對輸出紋波的抑制特性。

2.pi型CLC濾波特性分析

考慮到電源輸出阻抗，將圖1虛線框中所示CLC電路的等效電路用圖2表示，為了便于分析加入了負(fù)載RL，RS為電源輸出阻抗。

圖2中Ui為開關(guān)電源的輸出端，Uo為輸出到負(fù)載兩端的電壓。

2.1CLC濾波電路理論分析

電源信號輸入C1兩端之后，負(fù)載RL上的直流電壓為：

式（1）表明加入電感L將使UL變小，影響電源的負(fù)載調(diào)整率。若要使輸出電壓穩(wěn)定，應(yīng)選用等效串聯(lián)電阻小的電感器件，電感器的等效串聯(lián)電阻由其繞特種線的直流電阻決定。

對于開關(guān)電源輸出而言，其交流信號即為電源紋波信號根據(jù)CLC濾波電路傳遞函數(shù)：

從式（2）可以看出，隨頻率增大，紋波衰減越大；Cin、Cout越大，紋波衰減越大，因此，pi型CLC濾波器對電源紋波有一定的抑制作用。但是，式（2）是在L、C均為理想情況下得出的，并未考慮實(shí)際電感電容的材料及它們的寄生參數(shù)。

2.2實(shí)際測試分析

測試數(shù)據(jù)由泰克示波器TDS2022B(200MHz、2GS/s)、交流數(shù)字毫伏表KH-DD型(10Hz～2MHz)測量所得，負(fù)載使用ZX21型直流多值電阻器。

2.2.1無濾波電路時(shí)電源輸出紋波波形

圖3所示為空載時(shí)MAX606輸出電壓紋波波形(Uoasymp12V)，即開關(guān)紋波，其頻率為1.18kHz，波形穩(wěn)定，Vpp=240mV。圖4所示為負(fù)載120時(shí)輸出電壓的紋波波形，從圖4中可以看出加入負(fù)載后電源紋波變得比較復(fù)雜，其最高Vpp達(dá)到1.2V。為系統(tǒng)供電時(shí)，該紋波將會對系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害，必須對此紋波進(jìn)行抑制。

2.2.2pi型CLC濾波電路中不同類型電解電容下紋波隨負(fù)載的變化

在圖1的CLC濾波電路中，Cin、Cout分別使用三種常見類型的電解電容（容值為220F/16V），電感使用環(huán)形電感（電感值120H），依次改變負(fù)載大小，使用交流毫伏表測量其紋波電壓有效值，得到如圖5所示的曲線圖。

從圖5曲線可以看出，隨負(fù)載阻值逐漸增大，電源紋波有效值先急劇增大，后逐漸減小，在160時(shí)三種類型電解電容輸出紋波均很低，滿足一般系統(tǒng)的電源紋波要求。從圖5還可以看出整體水平上，普通直插式鋁電解電容紋波抑制能力最差，貼片鉭電解次之，貼片鋁電解濾波效果最佳。當(dāng)負(fù)載阻值小于500時(shí)，貼片鋁電解濾波效果最佳。當(dāng)負(fù)載阻值大于500時(shí)，鉭電解的濾波效果是最佳的。

圖6所示為負(fù)載是300時(shí)不同類型電解電容下所測量到的紋波波形，可以明顯看出使用貼片鋁電解紋波最小，使用普通鋁電解紋波較大且紋波具有毛刺，使用貼片鉭電解紋波有所減小且毛刺也有很大程度的改善。

圖7所示為負(fù)載120時(shí)不同類型電解電容下所測量得到的紋波波形。對比圖4可以看出，經(jīng)過pi型CLC濾波后，紋波已被抑制到很小范圍。從圖7可以看出，此時(shí)鉭電解電容的紋波抑制能力最好，紋波波形中毛刺幅度也變小。

綜上所述，考慮到實(shí)際工作時(shí)，一般電路所需電流均為數(shù)十毫安，在整體水平上推薦濾波電路使用貼片鋁電解電容。當(dāng)負(fù)載很重（負(fù)載值小）時(shí)，則推薦使用鉭電解電容器。

2.2.3不同電感值下紋波隨負(fù)載的變化

電容固定（貼片鉭電解220F/16V），改變圖1中CLC濾波電路的電感值大小，測量不同負(fù)載時(shí)紋波的有效值，得到如圖8所示的曲線圖，其中電感使用的是弓形電感。

從圖8中可以看出，隨電感值增大，電源紋波減小，對于mH級電感消除紋波效果非常明顯。采用1mH電感時(shí)，紋波電壓有效值僅3mV，采用4.7mH時(shí)，紋波電壓有效值可降低至1.8mV。

圖9所示為負(fù)載為300時(shí)不同電感值下紋波波形圖，從圖9中可以看出，隨電感值增大，紋波被抑制程度越大，輸出紋波越小。當(dāng)電感值增大到1mH時(shí)，紋波效果最好，且輸出基本上沒有毛刺。

2.2.4不同電容值下負(fù)載對紋波的影響

圖10所示為在不同電容值（貼片鉭電解）下，改變電感和負(fù)載并測量負(fù)載上的電源紋波有效值所得出的曲線圖。

從圖10中可以看出，隨電感、負(fù)載的變化紋波抑制趨勢大體相同，可以看出電容的增大對紋波的抑制較小，且紋波有效值并不隨電容值的增大而得到抑制，電感值的增大對電源紋波的抑制起決定性的作用。但是，選擇電容值時(shí)宜選取100F以上的電容，才可以得到較好的紋波抑制效果。

總結(jié)

pi型CLC濾波電路在小功率開關(guān)電源中能夠起到較好的紋波抑制效果，通過改變電解電容的類型，調(diào)整電容值和電感值的大小，能夠顯著提高抑制紋波性能。對CLC濾波電路進(jìn)行的特性分析能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)高質(zhì)量小功率開關(guān)電源提供參考。