输入滤波器设计与分析

过度工程并不总是意味着不必要的努力，特别是如果主要目标是创建一个一致的测试装置，正如我计划要做的那样——一个史诗级的电压调节器测试设备。我需要一个超级干净、超低噪声的电压输入和高端测量设备，配备更好的前端，以使我的测试设置的结果具有可比性。在我之前的内容中，我展示了从这个测试装置概念的第一版收集到的结果，但很明显我需要在一些领域进行一些改进。因此，我决定将整个仪器计划的直流输入阶段分离到自己的板上，以便能够评估其性能，同时看看我可以移除多少组件，这将帮助我降低BOM成本，同时节省大量的板空间。在这篇文章中，我将尝试实验滤波阶段的效果，并分析需要多少滤波。
首先改进的将是用于测量的测试仪器。尽管Rigol MSO5000是一个不错的示波器，我用它来测量我之前装置的调节器性能，但它没有最佳的噪声底限或有效位数分辨率。然而，我的新示波器，如Keysight MXR系列，具有微伏范围而不是毫伏范围的优秀前端和噪声底限。

第二个改进将是回答“我需要多少滤波？”或“有没有过多的可能性？”。这些问题的答案当然是“视情况而定！”。考虑到在感兴趣的频率带上所需的衰减水平与板空间和总成本之间，这是一种工程权衡。在我的测试装置中，我需要确保实验室电源噪声被足够滤除，同时查看被测设备的噪声输出，以确保不是我的测试设置影响了整个基准。众所周知，开关调节器对输入噪声的拒绝比例非常糟糕。因此，我设计了这块板，具有不同的共模和差模滤波阶段，以确保尽可能少的输入噪声到达调节器。这是关注这块板的第一篇内容，敬请期待后续内容，如内置电流感测和推动组件的极限。像往常一样，这个项目是一个开源硬件设计，所有项目文件都在我的GitHub仓库中。

让我们开始深入研究这块板的原理图：

大型输入连接器采用的是Wurth Elektronik的REDCUBE系列，这让我能够从我的Kikusui实验室电源向电路板供应1.5千瓦的电力，而不用担心连接器周围的高电流密度会危及较大的电路板区域。尽管我在实验室测试中采取了许多ESD预防措施，但在我之前的装置迭代中，由于ESD，MOSFETs失败了。因此，电路板的输入特性有一个巨大的ESD二极管，应该能够处理在处理输入连接器时可能发生的任何事件。

输入连接器后的第一个滤波阶段是一个共模扼流圈（L1）。实验室电源会有共模和差模噪声，其中共模噪声在电缆之间是对称的。在正常情况下，通过扭转电源和返回电缆或根据应用使用差分接收器，本质上有助于减少共模噪声；然而，由于我的设备架布局，我无法扭转电源输入电缆。鉴于我的PWX电源位于我的设备架顶部，我有大约1.5米的重型电缆，我不能为了更好的噪声免疫而扭转它们，它们直接连接到电路板上，充当EMI天线。

共模扼流圈（CMC）是一个帮助衰减共模噪声的组件。它由绕在共享磁芯上的两个线圈组成。两条线的电流同向流动，这减少了共模噪声。

另一方面，正常电流在不同方向流动，且在核心中的磁场相互抵消。这导致对直流供应的阻抗最小化。

然而，扭曲电缆或使用CMC在衰减差分模式噪声方面是无效的。值得注意的是，CMC的杂散电感可能与电路中的电容器形成一个小型LC滤波器。然而，这将产生微不足道的效果，可能是不够的。因此，需要另一种滤波器拓扑结构，而Pi滤波器是一个不错的选择。它类似于希腊字母π符号，用一个电感器形成顶部，电容器形成腿部。

Pi滤波器具有低直流串联电阻，但在去除交流信号成分方面非常有效。它通过在电感器两端为噪声提供一个非常低阻抗的路径来实现这一点，调整频率的噪声截止点取决于所选组件。

电路板有三个Pi滤波器阶段，使用两种不同的电感器模型，其中一个比其他的小得多。尚不清楚是否需要所有这些阶段，但去除一些阶段可能会节省大量的电路板空间和组件成本。
 
老实说，第一次尝试就能做到完美，不遗漏任何东西是不太可能的。我本应该加到电路板设计中但却忘记了的一件事是，我可以连接测试设备的测试点。

因此，我刮掉了一些防焊膜，并添加了u.Fl和SMA连接器，将同轴电缆直接连接在电路板和测试仪器之间。

有了这些测试点，我可以逐步检查信号在电路板上的衰减情况，并比较每个阶段的性能。
 
我们需要准确测量频率响应和阻抗来评估滤波器的性能，这使得矢量网络分析仪成为一个好选择。由于我们对直流以下的响应感兴趣，典型的射频VNA由于低频限制将不足够；例如，我的Rohde & Schwarz ZNB8无法测量低于100kHz。另一方面，Omicron Lab Bode 100可以下到1Hz。

尽管增加滤波器对噪声的衰减是主要目标，但它应该允许低直流电阻以防止损耗。我的Keysight 34465A 6.5位数万用表测量的电阻略高于40毫欧。

相比之下，将制造商声称的电感和电感器的直流电阻相加，我们得到62毫欧，因此我们应该看到由于电阻损失而通过滤波器产生的加热非常少。
 
滤波器串联的电阻看起来很有希望，所以我将继续测量更高频率的测量值。首先，我将测量整体滤波器响应，然后测量各个阶段以评估它们对完整响应的贡献。为了更好地理解，我将切换到导纳而不是阻抗，因为在滤波器的上下文中这更明显。导纳显示Bode 100从其输出到通道2测量的信号衰减量。测量在最低点开始变得混乱，但我确信这是因为信号非常弱，接收器上的信号强度几乎不存在，所以没有太多可以感知的。然而，这正是我想要的滤波器效果。该滤波器旨在阻止来自电源实验室供应的140kHz噪声。

为了确定是否需要移除任何阶段，我们应该测量各个模块的输入和输出。通过测量VIN到VCMC，我们可以从共模滤波器的效果开始，它包括一个CMC和第一个330微法拉的电解电容。它提供了良好的衰减水平，是我们滤波器的绝佳开端。

第一个Pi滤波器是我们总滤波性能的重要组成部分。这个滤波器有一个物理上更小且值更低的电感器，通过VIN到VF_1的测量将允许我们看到其性能。结果显示，这部分滤波器对整体响应有显著影响。

从VIN到VF_2的测量包括了第一个大电感和第二级滤波器响应，如下所示。一旦比较了绿色和灰色的图表，我们可以清楚地说，第三级滤波器并没有贡献太多，可以安全地移除。

如果我们从VCMC而不是VIN测量，我们可以绕过CMC来单独看Pi滤波器的性能，这再次证实了最终滤波器阶段没有贡献太多。

在可用性和成本方面，第一级滤波器电感与其余部分有显著差异。问题是，这些大电感值得这笔开销吗？绿色的VCMC到VF_1测量代表了第一滤波器。我们可以将其与VF_2到VF_3的测量进行比较，后者只考虑了最终阶段滤波器。在理想情况下，紫色迹线的截止频率应该是第一级滤波器的大约一半。然而，两个截止频率只有几千赫兹。不幸的是，板和组件的组合寄生效应使得在现实世界中很难确定。我们在多个层上有一些大尺寸的多边形，形成了平面电容器，而且大型电解电容器也有一个显著的串联电阻组成部分，这影响了所有这些响应。

基于我的分析，我可以得出结论，滤波器按预期工作得很好，我觉得可以移除第三阶段以节省大量的板空间。虽然我不完全确定，但我建议移除第二滤波器或将其更改为与第一个相同，因为一旦我们超过100 dB的损失，它甚至无法测量。