无源滤波器设计与选型

简介：

顾名思义，无源滤波器不需要额外的电源。滤波器通常由电容器、电感和电阻组成。

需要使用有源滤波器等。

无源滤波电路结构简单，设计方便，但其通带放大倍数和截止频率随负载变化，不适用于信号处理要求高的场合，一般用于连接DC-DC消除电源后面的纹波干扰，因为DC-DC虽然电源效率高，但由于开关管的噪声，输出电压会有纹波。如果直接向运输等芯片供电，这种直流电压显然不合格。

在B站的一篇文章中写道LC输出滤波器可以抑制电源的高频纹波，可以与电源故有的输出电容构成π型滤波器受到大家的喜爱，但对电源的动态性能影响很大，可能会引起自激振荡。这是因为LDO内部有一个非常复杂的补偿电路，但它基本上是一个阻性负载设计。

所以这里不推荐LDO后面再添加LC滤波。

1、RC滤波器

RC滤波器实际上是由电阻器和电容器形成的与频率相关的分压器。

当输入信号频率较低时，电容器的阻抗高于电阻， 因此，大部分输入电压在电容器上(即负载两端)

当输入频率较高时，电容器的阻抗低于电阻器，这意味着电容器上的电压降低，电压传输到负载较少。

所以低频通过，高频被阻挡，这就是低通滤波器！

当然，这是一个定型的描述，在实际电路设计中我们需要一个准确的，能定量描述的方式帮助我们设计电路。

• 截止频率

通过滤波器后，信号不会引起显著衰减的频率范围称为通带，显著衰减的频率范围称为阻带。

RC低通滤波器的截止频率实际上降低了输入信号范围3dB频率(选择值是因为幅度降低了3dB对应于功率降低50%)

截止频率一般为 f c = 1 2 π R C f_c=\frac {1}{2\pi RC} fc=2πRC1。

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2、π型RC滤波器

RC滤波器通常用于电流要求低的电路，因为电阻消耗部分直流电压，R不能得到很多。

典型电路如下图所示：

电路中的C1、C两个滤波电容器，R一是滤波电阻，C1、R1和C2构成一阶π型RC滤波电路。

从IN输入端进入的电压首先通过C1.滤波器过滤掉大部分交流成分，然后从R1和C在由2组成的滤波电路中，电容C2进一步过滤交流成分，通过少量交流电流C2到地平面。

此处加大C1、C2的容量可以获得更好的滤波效果。RC如果我们能知道滤波器，C2容量不变，增加R1能获得更好的滤波效果，但是R1会造成压降，不宜过大。

3、LC滤波器

下图是LC滤波器电路图：

其中LC滤波器也有谐振频率，与截止频率相同 f c = 1 2 π L C f_c=\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}} fc​=2πLC ​1​。

值得注意的是：我在MULTISIM仿真中发现他在截止频率的时候，其实不是-3dB，刚好在拐点这里。

根据查阅的相关资料说明：

LC低通滤波器的截止频率没有以0.707倍定义，而是直接使用了谐振频率点。

有待以后验证。

4、π型LC滤波器

分析思路基本上与π型RC滤波器差不多，在此不做赘述。

5、实际应用

在单车项目中我用了TI公司的TPS5430芯片，这个应该是我目前以来用过最顺手的芯片了，可以以较少的外围电路完成5V3A的输出，现在我需要对他进行一次后级滤波来减少纹波的干扰。图中红框部分是π型LC滤波器。

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根据datasheet可知，开关管的频率是固定的500KHz，所以会引入的纹波噪声频率也为500K左右。

通过示波器也可以看出频率大约在500KHz，幅度 V p − p = 20 m V V_{p-p}=20mV Vp−p​=20mV。

这里示波器读出来的频率明显不准确，主要是纹波上叠加的高频噪声太多了，此时频率计算应该是 f = 1 2 d i v ∗ 1 u s = 500 K h z f=\frac{1}{2div*1us}=500Khz f=2div∗1us1​=500Khz

我们再通过第三节介绍的LC滤波器中截止频率的公式，我在这里可以设计的π型LC滤波的参数为10uF，100nH，1uF。

可以看到纹波明显变小了（此处一格为2mV），此时峰峰值为 V p − p = 4 m V V_{p-p}=4mV Vp−p​=4mV，

此时，我们再次减少滤波电路的截止频率，使用10uF，33uH，22uF的参数，可以看到

基本上只剩下高频毛刺信号了。