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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(diǎn)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(yùn)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(duì)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(jì)師正在部署不僅是嵌入式處理器，但現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)來執(zhí)行深度包檢測(cè)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(gè)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(shí)鐘和存儲(chǔ)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(shí)鐘脈沖，產(chǎn)生不利影響的兩個(gè)片上的電路和串行接口，以及邏輯的操作。因?yàn)殡妷含F(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(duì)這些設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要求之一，因?yàn)橹袛鄟硖幚?，同時(shí)系統(tǒng)恢復(fù)可能會(huì)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(gè)階段，在該濾波可能需要在一個(gè)設(shè)計(jì)用于工業(yè)的IoT防火墻。一個(gè)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(gè)選項(xiàng)，用于一個(gè)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(diǎn)頻率的效果。其結(jié)果是，設(shè)計(jì)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(gè)共模噪聲抑制濾波器。因?yàn)樗鼈兲峁┝吮入姼衅鳎淇梢栽谥绷?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(xiàng)。

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?yàn)樗鼈兛梢蕴幚砗軐挼念l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(hào)時(shí)。因?yàn)檫@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(gè)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(duì)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(shí)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PC​​B上的一個(gè)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(zhǎng)度寬度(LW)反向電容，如村田電子LLL系列家族，其中有一個(gè)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(jì)，與每個(gè)電極倒車相對(duì)于其鄰居的極性。使用這樣的結(jié)構(gòu)，沿相反方向流動(dòng)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(gè)LW反向可以減少到0.2 nH的和至0.1 nH的一個(gè)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(jì)，這是一種類型的饋通電容器設(shè)計(jì)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(jì)減少了旁路方向的電感顯著，往往比一個(gè)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(duì)于電容器的情況下，產(chǎn)生了三角形狀，而不是一個(gè)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(diǎn)的阻抗由有效并聯(lián)電阻(EPR)來控制。

為了在高頻率實(shí)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(gè)電感器，一個(gè)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(gè)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(gè)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(duì)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(huì)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?yàn)樗麄兊牡丸F損使用屏蔽鐵氧體磁芯電感。

對(duì)頻率的鐵氧體的阻抗響應(yīng)的圖像

圖3：針對(duì)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(gè)方法是使用LC濾波器。這簡(jiǎn)化匹配兩個(gè)，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(gè)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?yàn)樗梢杂媚M電路干擾。設(shè)計(jì)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。