rc滤波电路和磁珠电容滤波电路一样吗
【摘要】
电源电路设计中常见rc/磁珠电容滤波，两种滤波电路滤波效果有什么差异呢？本文将对rc滤波电路、磁珠电容滤波电路进行了理论分析、仿真分析，并对实际使用情况进行了频谱测量分析。最终经过分析、仿真、实测给出推荐滤波电路。
一、问题的提出
电源滤波电路的目的是通过电路，将电源模块上的噪声和纹波去除掉。常用的无源滤波电路有磁珠电容滤波电路和rc滤波电路两种，两种滤波电路所使用的场合和条件不同，作用也不一样。另外，参数的选择也很关键。工程设计中大部分使用的是pi型滤波，使用较多电路如下：
这个电路的问题在于，由于磁珠和电容器件参数设置不优，对于一些在低频部分（10khz-1mhz）噪声较大的电源，不能很好的起到电源滤波的作用。下面是使用该滤波网络的ppc模块（时钟模块）时钟输出的频谱图。可以很明显的看到在300khz和230khz附近有开关噪声的存在，而且其与主频之间的能量差最大为-49db左右。该电路需要优化，否则这样送出的时钟作为高速信号的参考时钟是存在误码风险的。
二、解决方法
1、理论分析
（1）rc滤波电路
rc滤波电路的模型如下：
电路上的方程为：
其中
代入得到：
对上面的公式两边取拉式变换得：
系统的传递函数是
幅频曲线
其波特图的斜率是-20db
当w=1/rc时，为其-3db的截止频率，即f=1/(2πrc)
（2）磁珠电容滤波电路
再来看看磁珠电容滤波电路的情况，这里的l选取的是磁珠，电感由于所占的体积较大，不适合电路普遍推广，电感可在有特殊需求的场合下使用。
磁珠可看做是一个lrc并联的系统，低频段显现的是感性，中频段显现的是阻性，高频段显现的是容性。
为了电路的分析方便，磁珠我们暂时只把它当做电感和直流等效电阻串联的模型。整个lc滤波电路电路的模型如下：
该模型的传递函数与幅频曲线的推导过程可参见相关书籍资料，本文直接使用推导的结论：
wmax为出现极值点的频率，及幅频曲线极大值时的频率。l为磁珠的感抗值c为滤波电容值，r1为磁珠的直流等效电阻，r2是电容的直流等效电阻。幅频函数如下：
可以看出，wmax，与lc相关，同时与r1与r2相关，在l和r1值确定的情况下，c越大，r2值越大，wmax最小。
在l和r1确定的情况下，c越大，r2值越大，越小，超调量越小。
2、仿真分析
磁珠电容滤波电路的情况，原始电路模型如下：
仿真的幅频曲线如下：
f-3db=44.5khz，增益峰值为6.75 db 其在300khz的幅值是-38db。
根据理论分析的结果，提高电容的c值与电容对应的esr的值，可以使wmax减小，在wmax值处的超调量减小
我们加入了大esr的10uf的钽电容进行仿真分析，使用的电路模型是
仿真的幅频曲线如下：
f-3db=39.5khz，增益峰值为1.112 db其在300khz的幅值也是-38db。
从上面两图对比来看，加入了大esr，大电容值的阻尼电容，确实使得峰值的频率由44.5khz转移到39.5khz，增益的峰值也由6.75 db降为了1.112 db。但是在300khz附近的幅频曲线的幅值变化不大，都在-38db左右。
对rc的情况进行仿真，电路模型如下：
仿真的幅频曲线结果如下：
与理论计算结果基本一致，f-3db=7.233khz，其在300khz的幅值是-32db
后面实测发现，使用1欧姆的电阻，如果电路电流过大，会导致在电阻上的压降过大，引起电路不稳定。采用了改进的rc电路，将电阻阻值设置为0.15欧姆，电容c设置为较小esr的100uf陶瓷电容。电路模型如下：
仿真的幅频曲线结果如下：
与电阻采用1欧姆，电容采用22uf的仿真情况基本一致。
3、实验结果
磁珠电容滤波电路的改进措施：在磁珠后并联一个大esr（0.55欧姆），大容值（100uf）的普通钽电容，测得的频谱如下，将300khz左右的开关噪声由-49db降低为-63db，减小的幅度为14db。其他频率的噪声也有较大的衰减。
rc的改进措施：将磁珠更换为电阻，改原来的lc滤波为rc滤波。开始使用的电阻阻值为1欧姆，但是1欧姆的电阻串联在电路中是很不妥的，不能用于较大电流（百ma级）电路，因此需要使用较小阻值的电阻（0.15欧姆）。为了达到较好的滤波效果，与0.15欧姆电阻配合使用时，我们使用低esr的陶瓷电容，容值为100uf。
测试的幅频曲线如下：将300khz左右的开关噪声由-49db降低为-73db，减小的幅度为24db。其他频率的噪声也有较大的衰减。
可以看出实测使用rc电路的效果要比使用lc电路的效果要好，但是仿真时候结果是lc的电路在300khz时的幅值为-38db，rc电路在300khz时幅值为-29db。这可能与仿真的模型与实际情况有偏差有关：
（1）实际电路除了仿真的主电容外，还有其他容值的电容，会对实际电路的最后结果产生影响。
（2）磁珠是个较为复杂的器件，其受到温度影响较大；使用仿真的模型也不能完全将其特性反映出来。（真实原因是什么呢？其实我也想知道(*￣︶￣)）
三、总结
1、低频滤波电路适合使用rc电路。因为小封装的磁珠电感值较小，对低频不能起到很好的滤波效果；rc电路易于实现，对低频的效果很明显。
2、高频滤波电路适合使用有磁珠的lc电路。因为磁珠在高频中就扮演着高频电阻的作用，能够有效的滤除高频杂音成分。但从实际测量的相噪中可以看出，rc电路与lc电路在高频部分的底噪相差不大，这是由于主电容外的其他容值的小电容起作用的结果。
3、使用rc电路与使用有磁珠的lc电路都应该注意压降的问题。rc电路尤其要注意，不能将该滤波电路放置在有大电流的电路。因为rc电路本身会耗能，并且效率较差，且要注意电阻所能承受的功率。比如上面使用的0.15欧姆的电阻，其所能承受的功率为1/8瓦，换算成电流为不超过900ma。
4、推荐电路如下：
访客报警定位管理系统：提升安全管理水平的创新解决方案
2020年是LED显示行业的转折点？飞哥与5位行业大咖聊了啥
今日看点丨比亚迪刀片电池版特斯拉 Model Y 首批样车交付；高通最快在第四代骁龙 8 处理器中使用自研架构
医疗保健行业将可能被区块链革命化
国家鼓励使用国产医疗器械 基层医疗设备的采购数量在持续增加
rc滤波电路和磁珠电容滤波电路一样吗
苹果为强化iPhone光学变焦,着手找寻潜望式相机技术
全球有哪四大卫星定位系统？
浅谈配电柜中常用电气元件的原理及应用
工业4.0在德国的7年发展历程
PCB工具升级后有什么改变
希捷布局IT 4.0，深耕智能安防市场!
一款基于单片机的脉冲快速充电系统设计
RZ/T2M、RZ/N2L和RZ/T2L产品简介
TensorFlow回归：建立了一个模型来预测汽车的燃油效率
关于单片机那些你不知道的技巧
如何延长固态硬盘使用寿命
IGBT-IPM是什么 IGBT-IPM的优点
HTTP ABR 视频传输质量测量说明
AMD全面迈入7nm制程时代，或将在2019年推第三代Zen处理器
电源电路设计中常见rc/磁珠电容滤波，两种滤波电路滤波效果有什么差异呢？本文将对rc滤波电路、磁珠电容滤波电路进行了理论分析、仿真分析，并对实际使用情况进行了频谱测量分析。最终经过分析、仿真、实测给出推荐滤波电路。
一、问题的提出
电源滤波电路的目的是通过电路，将电源模块上的噪声和纹波去除掉。常用的无源滤波电路有磁珠电容滤波电路和rc滤波电路两种，两种滤波电路所使用的场合和条件不同，作用也不一样。另外，参数的选择也很关键。工程设计中大部分使用的是pi型滤波，使用较多电路如下：
这个电路的问题在于，由于磁珠和电容器件参数设置不优，对于一些在低频部分（10khz-1mhz）噪声较大的电源，不能很好的起到电源滤波的作用。下面是使用该滤波网络的ppc模块（时钟模块）时钟输出的频谱图。可以很明显的看到在300khz和230khz附近有开关噪声的存在，而且其与主频之间的能量差最大为-49db左右。该电路需要优化，否则这样送出的时钟作为高速信号的参考时钟是存在误码风险的。
二、解决方法
1、理论分析
（1）rc滤波电路
rc滤波电路的模型如下：
电路上的方程为：
其中
代入得到：
对上面的公式两边取拉式变换得：
系统的传递函数是
幅频曲线
其波特图的斜率是-20db
当w=1/rc时，为其-3db的截止频率，即f=1/(2πrc)
（2）磁珠电容滤波电路
再来看看磁珠电容滤波电路的情况，这里的l选取的是磁珠，电感由于所占的体积较大，不适合电路普遍推广，电感可在有特殊需求的场合下使用。
磁珠可看做是一个lrc并联的系统，低频段显现的是感性，中频段显现的是阻性，高频段显现的是容性。
为了电路的分析方便，磁珠我们暂时只把它当做电感和直流等效电阻串联的模型。整个lc滤波电路电路的模型如下：
该模型的传递函数与幅频曲线的推导过程可参见相关书籍资料，本文直接使用推导的结论：
wmax为出现极值点的频率，及幅频曲线极大值时的频率。l为磁珠的感抗值c为滤波电容值，r1为磁珠的直流等效电阻，r2是电容的直流等效电阻。幅频函数如下：
可以看出，wmax，与lc相关，同时与r1与r2相关，在l和r1值确定的情况下，c越大，r2值越大，wmax最小。
在l和r1确定的情况下，c越大，r2值越大，越小，超调量越小。
2、仿真分析
磁珠电容滤波电路的情况，原始电路模型如下：
仿真的幅频曲线如下：
f-3db=44.5khz，增益峰值为6.75 db 其在300khz的幅值是-38db。
根据理论分析的结果，提高电容的c值与电容对应的esr的值，可以使wmax减小，在wmax值处的超调量减小
我们加入了大esr的10uf的钽电容进行仿真分析，使用的电路模型是
仿真的幅频曲线如下：
f-3db=39.5khz，增益峰值为1.112 db其在300khz的幅值也是-38db。
从上面两图对比来看，加入了大esr，大电容值的阻尼电容，确实使得峰值的频率由44.5khz转移到39.5khz，增益的峰值也由6.75 db降为了1.112 db。但是在300khz附近的幅频曲线的幅值变化不大，都在-38db左右。
对rc的情况进行仿真，电路模型如下：
仿真的幅频曲线结果如下：
与理论计算结果基本一致，f-3db=7.233khz，其在300khz的幅值是-32db
后面实测发现，使用1欧姆的电阻，如果电路电流过大，会导致在电阻上的压降过大，引起电路不稳定。采用了改进的rc电路，将电阻阻值设置为0.15欧姆，电容c设置为较小esr的100uf陶瓷电容。电路模型如下：
仿真的幅频曲线结果如下：
与电阻采用1欧姆，电容采用22uf的仿真情况基本一致。
3、实验结果
磁珠电容滤波电路的改进措施：在磁珠后并联一个大esr（0.55欧姆），大容值（100uf）的普通钽电容，测得的频谱如下，将300khz左右的开关噪声由-49db降低为-63db，减小的幅度为14db。其他频率的噪声也有较大的衰减。
rc的改进措施：将磁珠更换为电阻，改原来的lc滤波为rc滤波。开始使用的电阻阻值为1欧姆，但是1欧姆的电阻串联在电路中是很不妥的，不能用于较大电流（百ma级）电路，因此需要使用较小阻值的电阻（0.15欧姆）。为了达到较好的滤波效果，与0.15欧姆电阻配合使用时，我们使用低esr的陶瓷电容，容值为100uf。
测试的幅频曲线如下：将300khz左右的开关噪声由-49db降低为-73db，减小的幅度为24db。其他频率的噪声也有较大的衰减。
可以看出实测使用rc电路的效果要比使用lc电路的效果要好，但是仿真时候结果是lc的电路在300khz时的幅值为-38db，rc电路在300khz时幅值为-29db。这可能与仿真的模型与实际情况有偏差有关：
（1）实际电路除了仿真的主电容外，还有其他容值的电容，会对实际电路的最后结果产生影响。
（2）磁珠是个较为复杂的器件，其受到温度影响较大；使用仿真的模型也不能完全将其特性反映出来。（真实原因是什么呢？其实我也想知道(*￣︶￣)）
三、总结
1、低频滤波电路适合使用rc电路。因为小封装的磁珠电感值较小，对低频不能起到很好的滤波效果；rc电路易于实现，对低频的效果很明显。
2、高频滤波电路适合使用有磁珠的lc电路。因为磁珠在高频中就扮演着高频电阻的作用，能够有效的滤除高频杂音成分。但从实际测量的相噪中可以看出，rc电路与lc电路在高频部分的底噪相差不大，这是由于主电容外的其他容值的小电容起作用的结果。
3、使用rc电路与使用有磁珠的lc电路都应该注意压降的问题。rc电路尤其要注意，不能将该滤波电路放置在有大电流的电路。因为rc电路本身会耗能，并且效率较差，且要注意电阻所能承受的功率。比如上面使用的0.15欧姆的电阻，其所能承受的功率为1/8瓦，换算成电流为不超过900ma。
4、推荐电路如下：
访客报警定位管理系统：提升安全管理水平的创新解决方案
2020年是LED显示行业的转折点？飞哥与5位行业大咖聊了啥
今日看点丨比亚迪刀片电池版特斯拉 Model Y 首批样车交付；高通最快在第四代骁龙 8 处理器中使用自研架构
医疗保健行业将可能被区块链革命化
国家鼓励使用国产医疗器械 基层医疗设备的采购数量在持续增加
rc滤波电路和磁珠电容滤波电路一样吗
苹果为强化iPhone光学变焦,着手找寻潜望式相机技术
全球有哪四大卫星定位系统？
浅谈配电柜中常用电气元件的原理及应用
工业4.0在德国的7年发展历程
PCB工具升级后有什么改变
希捷布局IT 4.0，深耕智能安防市场!
一款基于单片机的脉冲快速充电系统设计
RZ/T2M、RZ/N2L和RZ/T2L产品简介
TensorFlow回归：建立了一个模型来预测汽车的燃油效率
关于单片机那些你不知道的技巧
如何延长固态硬盘使用寿命
IGBT-IPM是什么 IGBT-IPM的优点
HTTP ABR 视频传输质量测量说明
AMD全面迈入7nm制程时代，或将在2019年推第三代Zen处理器