NIPPON CHEMI-CON CORPORATION

使用开关电源的电子电路中在能量传输进行高速切换操作时,容易产生杂波。 此外，感性负载（如电机）会因电流的急剧变化而产生尖锐的峰值杂波。 本文旨在验证采用我司非晶磁性体KA线圈和导电性高分子混合铝电解电容器的LC滤波器（低通滤波器）对DC电源线高频杂波的抑制效果及其衰减特性。

目录

1. 低通滤波器的种类
2. LC寄生参数的影响
3. π型滤波器的理想与实际
4. 本文的评估方法
5. 电容器类型效果1（无KA线圈）
6. 电容器类型效果2（有KA线圈）
7. 滤波器直流叠加特性
8. 温度特性的影响
9. 灵活运用技术支持工具
10. 总结
11. 本文注意事项

1. 低通滤波器的种类

●低通滤波器的构成示例

直流电源线中,接入滤波线路以去除不需要的高频杂波。
直流电源线需要用到的低通滤波器，采用功率损耗较少的LC滤波器，或增加LC滤波器段数的π型滤波器等。
※本文将对表中的π型滤波器进行说明。

2. LC寄生参数的影响

电容器（C）和线圈（L）存在寄生参数（如图示）。设计滤波器时需充分考虑这些寄生参数。
选择ESR（等效串联电阻）和ESL（等效串联电感）较小的电容器，以及DCR成分和寄生电容C_p成分较小的线圈，可优化滤波线路特性。
线圈的DCR成分与交流/直流损耗相关。电源线中，铜线电阻导致的功率损耗和发热是主要问题。 本文介绍的KA线圈采用单匝贯通结构，直流阻抗DCR小，可降低功率损耗和发热。同时，匝间寄生电容小，高频下阻抗|Z|不容易下降,且不容易饱合。

3. π型滤波器的理想与实际

1. R_in和R_out较大时效果显着。
2. 滤波器截止频率fc₁由C和L决定（图1的公式①）。fc₁后衰减特性为-60dB/dec. 该衰减量为IN侧R_in和C构成的RC滤波器的-20dB/dec与OUT侧的LC滤波器的-40dB/dec相加后的总衰减量。
3. 杂波衰减量最大点（底部谐振频率fc₂）由C及其ESL决定（图1的公式②）。
4. 杂波衰减量最大值由C的ESR决定。
   ESR增大会降低衰减量最大值，并使谷底共振频率fc₂向高频方向偏移。
5. 综上所述，要使π型滤波器更接近理想特性，需选择ESR和ESL较低的电容器。

表1. 用于本资料滤波器的零部件的编号以及在本资料中的简称

●线圈

●导电性高分子混合电解电容器

●铝电解电容器（样品1）

●铝电解电容器（样品2）

●铝电解电容器（样品3）衰减特性比较用

4. 本文的评估方法

通过SPICE模型对π型滤波器进行仿真评估。

1. 滤波器结构：π型滤波器
2. 滤波器IN侧的噪声源及线路阻抗总和为R_in=0.5Ω。
   滤波器OUT侧的负载及线路阻抗总和为R_out=50Ω。
3. IN侧和OUT侧的电容器C值相同。

5. 电容器类型效果1（无KA线圈）

首先，图2显示仅使用电容器（无KA线圈）时的滤波线路特性。 由于与IN侧的R_in构成RC滤波线路，使用混合电容器HXF时，即使无KA线圈，在本电路条件下也具有一定良好的衰减特性，但无法满足本文的目标衰减特性。

6. 电容器类型效果2（有KA线圈）

图3显示插入KA线圈后的π型滤波器效果。
KA线圈与混合电容器（HXF）的组合可满足目标衰减特性。
使用铝电解电容器（MZR、MHK）时，无法达到目标衰减特性。原因与电容器的阻抗|Z|和ESR有关。

各电容器的阻抗|Z|和ESR如图4所示。
作为电容器，阻抗|Z|必须大于等效串联电阻（ESR）。 混合电容器在约200kHz以下可保持电容器功能。
而铝电解电容器由于等效串联电阻（ESR）较大，从约20kHz开始阻抗成为ESR成分，结果在20kHz以后不再是电容器而成为电阻，形成由KA线圈和ESR构成的LR滤波器。
结果导致滤波器特性大幅恶化。

使铝电解电容器（MZR）满足本资料目标衰减特性的方法

为了使铝电解电容器（MZR）满足本文的目标衰减特性，需要增大电容量并降低ESR，因此采用多个电容器并联连接的方式有效。 图5中，通过将滤波器OUT侧改为MZR470μF/25V的4个并联连接，满足了目标衰减特性。
与使用1个混合电容器相比，PCB占用面积增加了4倍。

通过4个铝电解电容器MZR470μF并联连接能够改善目标衰减特性的原因是， 如图6所示，相比1个MZR100μF，MZR470μF×4个并联连接提升了静电容量，降低了阻抗|Z|，且4个电容器并联连接使ESR降低至1/4，从而改善了滤波器特性。
此外，ESL也与ESR一样降低，因此高频下的衰减特性得到改善。

7. 滤波器直流叠加特性

图7显示滤波器的直流叠加特性。 由KA线圈和混合电容器HXF100μF/63V组成的滤波器，在直流0A、20A（额定）、30A条件下，滤波衰减特性可保持基本相同。
其原因是，如图8所示，KA线圈的直流叠加特性中电感的电流依赖性较小。
因此，即使直流叠加电流发生较大变化，也能保持稳定的滤波衰减特性。

此外，从表2可知，KA线圈的直流电阻（DCR）较小，即使产生较大的直流叠加电流，也具有低功率损耗、低发热的特性，不会对周边零件产生热应力，因此安装位置具有较大的灵活性。

8. 温度特性的影响

电容器的温度特性

●混合电容电容器 HSE100μF/63V （外形Φ10×12.5L）

虽然HHSE630ELL101MJC5S并非用于本文滤波器的零件，但作为同类混合电容器，其温度特性如图9所示。 混合电容器在-40°C、25°C、135°C条件下，在约200kHz以下可正常发挥电容器功能。
混合电容器ESR低且温度依赖性小，可获得理想的衰减特性。

●铝电解电容器 MHK、MZR温度特性

铝电解电容器在低温环境下作为电容器的功能如图10和图11所示，数kHz即为其极限。 随着温度升高，电容器功能得到改善，MHK100μF/35V在125°C、MZR100μF/50V在105°C时，可作为电容器使用至约50kHz。
铝电解电容器ESR的温度依赖性较大，滤波器衰减特性会发生变化。
特别是在低温环境下，ESR会大幅上升，使滤波器衰减特性恶化，因此需要多加注意。

●SM线圈（引线型KA线圈产品）的温度特性

虽然并非用于本文滤波器的线圈，但图12显示了采用相同非晶材料磁芯的引线型KA线圈产品SM系列线圈（品番：LESM050010P1BV0E）的温度特性。 在-40°C～+135°C（实际可达150°C）的温度范围内，电感几乎没有温度依赖性。 因此，通过组合温度依赖性小的同类KA线圈和温度依赖性小的混合电容器，可以构建在宽温度范围内衰减特性稳定的滤波器。

●使用铝电解电容器的π型滤波器的温度特性

以图5中介绍的使用4个铝电解电容器MZR470μF/25V满足本文目标衰减特性的滤波器规格为例，图13显示其温度特性。 铝电解电容器的温度依赖性较大，在高温下ESR降低，衰减特性得到改善，但在低温下ESR增大，电容器功能显著下降。 结果，偏离目标衰减特性，滤波器特性成为具有温度依赖性的不稳定特性。

9. 设计工具的活用

图14和图15介绍了SM线圈和混合电容器的SPICE模型的LC滤波器再现性。 使用本公司设计工具的SPICE模型，可以推测出更接近实际设备的电路特性。

关于KA系列线圈的SPICE模型

KA线圈模型如图16所示。
KA线圈模型目前为暂定版，因此不公开，但可单独提供。叠加电流特性方面，针对各代表电流值提供相应模型。 图17显示直流叠加电流0A时的阻抗再现性。
本文的滤波器仿真也采用该模型。

关于与KA线圈结构类似的SM线圈的SPICE模型，请参阅"采用非晶磁性体SM线圈的大电流对应LC滤波器"文章。

10. 总结

※关于KA线圈与混合电容器组成的π型滤波器

KA线圈的低DCR带来的低功率损耗与混合电容器的低ESR、温度稳定性的复合效果，具有以下3项优点。

1. 可用于大电流电源线。
2. 可获得-60dB/dec.的衰减特性。
3. 衰减特性不受环境温度影响。

【补充1】
使用混合电容器时，可以获得陡峭的衰减特性（理想衰减量），因此可以将截止频率fc₁（参照图1）设计得更高。这有助于电容器的小容量化和零件的小型化。

※关于KA线圈与铝电解电容器组成的π型滤波器

铝电解电容器ESR较高，且温度变化较大，但在以下条件下仍可选择使用。

1. 需要大容量电容器。
2. 衰减特性要求不严格。
3. 温度恒定。（低温时应注意ESR上升）
4. 外形尺寸、PCB占用面积有余量。

【补充2】
使用铝电解电容器时，由于ESR较高，衰减特性比使用混合电容器时差，但通过降低截止频率fc₁（参照图1）=大容量化或多个电容器并联使用，可以获得目标频率下的衰减量。

11. 本资料使用注意事项

• 本资料为产品特性的参考数据，不保证产品特性。
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