電源線濾波高性能包處理

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電源線濾波高性能包處理

為了確保他們保持安全，物聯(lián)網(wǎng)很多互聯(lián)網(wǎng)(物聯(lián)網(wǎng))應(yīng)用程序?qū)⑿枰阑饓途W(wǎng)關(guān)，以保護(hù)最敏感的設(shè)備。雖然端節(jié)點將是電池供電的，這些防火墻將線供電的大部分為他們提供給運行必需的安全檢查所需的能量。這引入需要的電源線防干擾過濾。

為了處理可以針對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)推出的威脅范圍日益擴(kuò)大，使用防火墻的數(shù)據(jù)過濾系統(tǒng)正變得越來越復(fù)雜。設(shè)計師正在部署不僅是嵌入式處理器，但現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)來執(zhí)行深度包檢測任務(wù)都能夠剔除掉可疑或惡意的幀。這些復(fù)雜的設(shè)備可以具有多個電源軌送入它們分別供應(yīng)能量到核心邏輯陣列和I / O單元，以及時鐘和存儲器接口信道。

電源耦合噪聲的鎖相環(huán)(PLL)的用于產(chǎn)生可靠的時鐘脈沖，產(chǎn)生不利影響的兩個片上的電路和串行接口，以及邏輯的操作。因為電壓現(xiàn)在是在1伏以下，有很少的公差更改，其結(jié)果是電路可以被證明是高度敏感的紋波和其他形式的電源噪聲的。

電源完整性是對這些設(shè)計的關(guān)鍵要求之一，因為中斷來處理，同時系統(tǒng)恢復(fù)可能會減慢網(wǎng)絡(luò)性能。作為防火墻將經(jīng)常被位于數(shù)據(jù)中心外面，其中濾波電源是不容易獲得，并且可以在靠近工業(yè)設(shè)備，他們將需要編入了自己的電源噪聲抑制和濾波硬件。

有兩個階段，在該濾波可能需要在一個設(shè)計用于工業(yè)的IoT防火墻。一個是在電源輸入端，以盡量消除沿電源線傳導(dǎo)噪聲。另一種是電源后處理噪聲耦合到主電路或所產(chǎn)生的系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)字交換的結(jié)果。在這兩種情況下，電感器和電容器的無源網(wǎng)絡(luò)可以提供許多所需的濾波。

一個選項，用于一個電源輸入濾波器是無阻尼的LC濾波器。然而，這具有潛在地增加干擾的電路，這是關(guān)系到的總電感和電容的平方根的拐點頻率的效果。其結(jié)果是，設(shè)計通常使用串聯(lián)或并聯(lián)的阻尼遏制圍繞濾波器的截止頻率的峰值。

在電源的輸出側(cè)，旁路電容器常用于包含由開關(guān)噪聲和其他干擾源的變化的電流。在電源和地之間的電容器旁邊。除了旁路電容，電感等鐵氧體磁珠可以插入串聯(lián)，以形成一個共模噪聲抑制濾波器。因為它們提供了比電感器，其可以在直流/直流的輸出電路中使用轉(zhuǎn)換器本身低阻抗鐵氧體可以更好地工作，在這種情況下。有許多需要電感器和電容器的選擇過程中要考慮的事項。

多層陶瓷電容器(MLCC)被廣泛用作電源噪聲濾波應(yīng)用的電容器，因為它們可以處理很寬的頻率范圍。然而，這些性能是通過其固有的電阻(ESR)和電感(ESL)的影響，導(dǎo)致小于理想的特性處理高頻信號時。因為這些元素的，電容器的阻抗表示的V形頻率曲線(圖1)，其中電容器的阻抗，主要是由于串聯(lián)電阻，落在幾乎線性朝向諧振頻率之前再次上升，由于串聯(lián)電感。

電容器的阻抗特性的圖像

圖1：一個電容器通過頻率的阻抗特性。

在左手側(cè)的曲線可以通過選擇適當(dāng)?shù)碾娙萘窟M(jìn)行調(diào)整。一般情況下，低阻抗，更好的電容的噪聲抑制能力。更高的電容一般將低在V的左手側(cè)，但對電感控制的一側(cè)幾乎沒有影響。其可使用短而寬的跡線來實現(xiàn) - 其結(jié)果，它選擇具有低ESL的電容器以及選擇安裝所述電容器在PCB上的一個方式，以確保低電感存在是重要的。 A 1 nH的增加電感可以通過盡可能多的為10db降低噪聲抑制。

適于抑制低電感電容改變內(nèi)部電極的配置，以改變通過該裝置的電流路徑。一類是長度寬度(LW)反向電容，如村田電子LLL系列家族，其中有一個寬而短的電極結(jié)構(gòu)。另一種方法是多端子電容器設(shè)計，與每個電極倒車相對于其鄰居的極性。使用這樣的結(jié)構(gòu)，沿相反方向流動的電流之間的互感抵消。而常規(guī)的MLCC可能具有0.5 10nH的電感，一個LW反向可以減少到0.2 nH的和至0.1 nH的一個八終端甚至進(jìn)一步。村田L(fēng)LA系列提供了合適的八端電容，一樣的AVX IDC家庭。

低ESL電容器的另一種形式是三端的設(shè)計，這是一種類型的饋通電容器設(shè)計用于其廣泛頻率范圍特性。它是電容器與輸入，輸出電極和接地電極，形成在的電路的T形路徑。該設(shè)計減少了旁路方向的電感顯著，往往比一個常規(guī)的MLCC的第三十以下。

類似于電容器，電感器具有頻率相關(guān)的性質(zhì)，雖然倒相對于電容器的情況下，產(chǎn)生了三角形狀，而不是一個五再次峰值在電感器的自諧振頻率。增量的上升左側(cè)邊緣是由于電感和下降右側(cè)主要是控制由有效并聯(lián)電容(EPC)。在自諧振點的阻抗由有效并聯(lián)電阻(EPR)來控制。

為了在高頻率實現(xiàn)高阻抗，具有低的EPC的電感器通過減少在繞組電容通常獲得。然而，鐵氧體磁珠具有更廣泛的峰，由于頻率而變的電阻，比一個電感器，一個適合它寬帶噪聲抑制的尖銳諧振峰。

鐵氧體磁珠的基本結(jié)構(gòu)包括一個圓筒形鐵素體與引線通過它的，雖然有使用的多層結(jié)構(gòu)具有內(nèi)部形成一個螺旋形的連接形態(tài)。甲磁通響應(yīng)于電流經(jīng)過導(dǎo)線，提供電感和阻抗特性是由于鐵素體的磁導(dǎo)率在內(nèi)部形成鐵素體。

鐵素體 - 電容器的LC濾波器的結(jié)構(gòu)

圖2：鐵素體電容器的LC濾波器的典型配置。

電感取決于鐵氧體的導(dǎo)磁率的頻率特性，并且通常是不固定的。該阻抗由鐵素體的磁損耗的強(qiáng)烈影響。其結(jié)果，鐵氧體磁珠的特征通常表示在由于頻率的變化阻抗而言，相對于電感。在高頻率，大部分能量通過熱被消散，但鐵素體具有非常低的電阻接近直流，所以不會極大地影響從DC / DC轉(zhuǎn)換器的輸出。

鐵氧體磁珠應(yīng)當(dāng)選擇，使得其阻抗足夠高的DC / DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率和優(yōu)選及其諧波，以及保證了穩(wěn)壓器的開關(guān)噪聲的有效阻斷。的DC / DC轉(zhuǎn)換器的一些制造商建議，因為他們的低鐵損使用屏蔽鐵氧體磁芯電感。

對頻率的鐵氧體的阻抗響應(yīng)的圖像

圖3：針對頻率鐵氧體和電阻成分(R)和電抗分量(X)的影響的阻抗響應(yīng)。

采用鐵氧體和電容器濾波器的組合的一個方法是使用LC濾波器。這簡化匹配兩個，以確保插入損耗的作業(yè)由于電容器下降太低提供跨越感興趣的頻率范圍內(nèi)有效地抑制。一個典型的LC濾波器產(chǎn)品線是NFE系列村田或ACF家族TDK。

噪聲可以不利地敏感的高性能數(shù)字處理器盡可能多影響，因為它可以用模擬電路干擾。設(shè)計中的濾波電路能夠確保系統(tǒng)能夠可靠地執(zhí)行，尤其是在EMI易條件，如在工業(yè)環(huán)境。