CN108616127B - 一种时频域结合的自动滤波电容设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于嵌入式计算机系统设计技术领域。本发明设计了一种时频域结合的电源滤波设计方法。此方法是通过实际芯片的电流噪声，分析电流的有效频谱，查找电容库中相应的电容器，建立带权重电容阻抗函数，最终按照电源纹波要求计算出对应的滤波方案。从而达到即满足电源纹波要求又不冗余的最优方案的目的，满足机载嵌入式系统低压大电流的需求。

Description

一种时频域结合的自动滤波电容设计方法
技术领域
本发明是一种通过时域/频域相结合，针对具体芯片的负载电流，通过自动优化方法计算出相应滤波设计的方法，该技术属于嵌入式计算机系统设计技术领域。
背景技术
在电子设备中，电源的稳定性是决定产品质量的重要因素之一。随着嵌入式系统发展，系统处理性能要求越来越高，系统也越来越趋于小型化，从而导致供电设计也更加的复杂化。如何能够设计出性能稳定、面积较小并且成本较低的电源滤波网络成为我们当前面临的重要问题。
电源的纹波噪声来源于电源输出芯片的低频噪声以及负载芯片的高频噪声，低频噪声通常可以通过开关频率直接选取电容种类及数量，但是高频噪声的滤波设计一直以来是一个难题。
目前业界通用的电源滤波设计方法是频域目标阻抗法，这种方法是在全频段利用最大电流和电源纹波要求来计算出目标阻抗，进而计算出相应的滤波方案。这种方法的优点是计算简单、可靠性高，缺点是往往结果非常冗余，滤波电路面积大，针对低压大电流甚至会出现无解的情况。
但是随着嵌入式系统的发展，芯片的核电压降低、负载电流的提高，这种方法的缺点都严重制约着系统电源设计。因此迫切地需要一种新的方法能够计算出更加优化的滤波方案。
发明内容
本发明的目的是：
为了解决目前电源滤波计算时存在的计算冗余、滤波电路面积大，无解问题，本发明提供一种通过具体芯片的负载电流自动优化出相应滤波设计的方法。
本发明的技术方案是：
一种时频域结合的自动滤波电容设计方法，具体步骤如下：
a)对时域电流波形i(t)进行傅里叶变换，获得电流频谱I(f)。
b)在电流频谱I(f)中查找各个大于等于0.005A的n个频谱峰值及其对应的频率fI，去除其余分量，得到有效电流频谱Iava(f)。
c)对电流频谱Iava(f)进行归一化如式(1)所示，得到归一化矩阵A。
Figure BDA0001177580820000021
d)建立常用电容器的电容库，建库参数为：电容容值、谐振频率、电容器S参数。
e)通过电流峰值对应频率fI在电容库中查找对应的n种电容器的谐振频率fC。查找方法如式(2)所示，先在库中找到第一个大于fI的频率fmax，然后比较fI与fmax、fmax-1的差值，fC选差值较小的那个频率。
Figure BDA0001177580820000022
f)查找谐振频率对应的电容器的容值，获取容值矩阵Cn。
g)查找谐振频率对应的电容器的S参数，通过读取的插入损耗S12参数来计算各个电容器的自阻抗Z11，方法如式(3)所示。得到选取的n种电容器的阻抗函数Zn(f)。
Figure BDA0001177580820000023
h)根据步骤d)与g)可以得到带权重的阻抗Zcn(f)，如式(4)所示。
Figure BDA0001177580820000024
i)把n个带权重的电容并联得到带权重总阻抗Zc(f)，如式(5)所示。
Figure BDA0001177580820000025
j)假设m为所需电容的总数目，可以得到电压的频谱V(f)如式(6)所示
Figure BDA0001177580820000026
k)通过傅里叶逆变换可以得到时域噪声电压v(t)如式(7)所示
Figure BDA0001177580820000031
l)可由式(8)计算出电压的峰峰值Δvmax，芯片手册中峰峰值已知，可以推出m的值如式(9)所示。
Figure BDA0001177580820000032
Figure BDA0001177580820000033
如果得出的m不是整数，则对m进行向上取整。
m)最后给出滤波方案BOM矩阵，如式(10)所示。
Figure BDA0001177580820000034
其中：BOM(n,1)指第n种电容器的个数，BOM(n,2)指第n种电容器的容值。
本发明具有的优点是：
本发明基于时域电流波形，通过时频域结合，建立各种所需电容器数量权值，自动优化出电源滤波方案的方法，确保给出的滤波方案冗余少、可靠性高。
附图说明
图1是滤波电容设计自动优化方法的流程图。
具体实施方式
首先取时域电流如式(11)所示。针对此电流进行电源滤波设计计算如下所示：
i(t)＝4×sin(2×π×t×3e5)+5×sin(2×π×t×1e7)+sin(2×π×t×3e7)……………………………………………………………………………(11)
a)对时域电流波形i(t)进行傅里叶变换，获得电流频谱I(f)。
b)在电流频谱I(f)中查找各个大于等于0.005A的频谱峰值对应的频率fI，去除其余分量，得到有效电流频谱f＝[3e5,1e7,3e7]，Iava＝[4,5,1]。这里选取0.005A是因为这个值已经趋近底噪，首先底噪是测试误差不需要进行滤波；其次如果把底噪信息也纳入滤波计算中，不仅会增加计算量，而且可能会增加很多无用电容器。
c)对电流频谱Iava进行归一化，得到归一化矩阵A＝[0.4,0.5,0.1]，有了归一化的矩阵，就可以知道电流频谱中各个分量所占的比重，后续需要根据其所占的比重进行滤波设计。
d)建立常用电容器的电容库，建库参数为：电容容值、谐振频率、电容器S参数。
e)通过电流峰值对应频率fI在电容库中查找对应的n种电容器的谐振频率fC＝[3e5,9e6,3e7]，这样查找出的电容器可以最有效地对步骤b)中的有效电流频谱进行滤波。
f)查找谐振频率对应的电容器的容值，获取容值矩阵Cn＝[47,0.22,0.047]。
g)查找谐振频率对应的电容器的S参数，计算各个电容器的自阻抗Z11。得到选取的3种电容器各自的阻抗函数Z1(f)、Z2(f)、Z3(f)。
h)根据步骤d)与g)可以得到带权重的阻抗，如式(12)所示。
Figure BDA0001177580820000041
i)把3个带权重的电容并联得到带权重总阻抗，如式(13)所示。
Figure BDA0001177580820000042
j)假设m为所需电容的总数目，可得到电压的频谱如式(14)所示，通过傅里叶变化后的时域电压如式(15)所示。
Figure BDA0001177580820000043
Figure BDA0001177580820000044
k)此处电压噪声的峰峰值为100mV，通过对时域电压进行傅里叶变换，并且取其峰峰值如式(16)所示。最后推导出m的值为20.4948，对m进行向上取整则m等于21。
Figure BDA0001177580820000051
l)最后给出滤波方案BOM矩阵如式(17)所示，即滤波方案是选用9个47uf，10个220nf，2个22nf的电容器。
Figure BDA0001177580820000052

Claims (2)

1.一种时频域结合的自动滤波电容设计方法，其特征是，具体步骤如下：
a)对时域电流波形i(t)进行傅里叶变换，获得电流频谱I(f)；
b)在电流频谱I(f)中查找各个大于等于0.005A的n个频谱峰值及其对应的频率fI，去除其余分量，得到有效电流频谱Iava(f)；
c)对电流频谱Iava(f)进行归一化如式(1)所示，得到归一化矩阵A；
Figure FDA0002936893120000011
d)建立常用电容器的电容库，建库参数为：电容容值、谐振频率、电容器S参数；
e)通过电流峰值对应频率fI在电容库中查找对应的n种电容器的谐振频率fC；查找方法如式(2)所示，先在库中找到第一个大于fI的频率fmax，然后比较fI与fmax、fmax-1的差值，fC选差值较小的那个频率；
Figure FDA0002936893120000012
f)查找谐振频率对应的电容器的容值，获取容值矩阵Cn；
g)查找谐振频率对应的电容器的S参数，通过读取的插入损耗S12参数来计算各个电容器的自阻抗Z11，方法如式(3)所示；根据各个电容器的自阻抗Z11得到选取的n种电容器的阻抗函数Zn(f)；
Figure FDA0002936893120000013
h)根据步骤d)与g)可以得到带权重的阻抗Zcn(f)，如式(4)所示；
Figure FDA0002936893120000014
i)把n个带权重的电容并联得到带权重总阻抗Zc(f)，如式(5)所示；
Figure FDA0002936893120000015
j)假设m为所需电容的总数目，可以得到电压的频谱V(f)如式(6)所示
Figure FDA0002936893120000016
k)通过傅里叶逆变换可以得到时域噪声电压v(t)如式(7)所示
Figure FDA0002936893120000021
l)可由式(8)计算出电压的峰峰值Δvmax，芯片手册中峰峰值已知，可以推出m的值如式(9)所示；
Figure FDA0002936893120000022
Figure FDA0002936893120000023
m)最后给出滤波方案BOM矩阵，如式(10)所示；
Figure FDA0002936893120000024
其中：BOM(n,1)指第n种电容器的个数，BOM(n,2)指第n种电容器的容值。
2.如权利要求1所述的一种时频域结合的自动滤波电容设计方法，其特征是，l)步中，如果得出的m不是整数，则对m进行向上取整。
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