如何通過集成式有源EMI濾波器降低EMI并縮小電源尺寸

從事低電磁干擾(EMI)應(yīng)用的設(shè)計(jì)工程師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)通常面臨著兩大挑戰(zhàn)：即如何在降低設(shè)計(jì)中電磁干擾的同時(shí)，縮小方案的體積。前端無源濾波可減少開關(guān)電源產(chǎn)生的傳導(dǎo)性EMI，從而確保符合傳導(dǎo)性EMI標(biāo)準(zhǔn)，但這種方法可能與增加低EMI設(shè)計(jì)的功率密度的要求相矛盾，特別是考慮到更高的開關(guān)速度對整體EMI信號的不利影響。這些無源濾波器往往體積龐大，可占電源方案總體積的30%。因此，在提高功率密度的同時(shí)，有效縮小EMI濾波器體積仍是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的首要任務(wù)。

有源EMI濾波技術(shù)是一種較新的EMI濾波方法，可減弱電磁干擾，讓工程師能夠大幅縮小無源濾波器的尺寸、降低成本并提升EMI性能。為了說明有源EMI濾波器在EMI性能提升和空間節(jié)省方面的主要優(yōu)勢，在本文中，我將回顧集成了有源EMI濾波器功能的汽車同步降壓控制器設(shè)計(jì)的結(jié)果。

EMI濾波

無源濾波使用電感器和電容器在EMI電流路徑中產(chǎn)生阻抗失配，以此減少電源電路的傳導(dǎo)發(fā)射。相比之下，有源濾波可感應(yīng)輸入總線上的電壓，并產(chǎn)生反相的電流，該電流可直接與開關(guān)級產(chǎn)生的EMI電流抵消。

在此背景下，請看一下圖1中簡化的無源和有源濾波器電路，其中 iN 和 ZN 分別表示針對直流/直流穩(wěn)壓器的差分模式噪聲諾頓等效電路的電流源和阻抗。

圖1 常規(guī)的無源濾波(a)和有源濾波(b)電路安裝啟用

在圖1b中，配置了電壓感應(yīng)和電流消除(VSCC)的有源EMI濾波器使用運(yùn)算放大器電路作為電容倍增器來代替無源設(shè)計(jì)中的濾波電容器(CF)。如圖所示，有源濾波器的感應(yīng)、注入和補(bǔ)償阻抗使用相對較低的電容值和較小的元件尺寸來設(shè)計(jì)增益項(xiàng)，用GOP 表示。有效的有源電容由運(yùn)算放大器電路增益和注入電容器 (CINJ) 設(shè)置。

圖1包含有效濾波器截止頻率的表達(dá)式。高效的GOP 可降低有源設(shè)計(jì)的電感和電容值，且截止頻率與無源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)等效。

濾波性能優(yōu)化

圖2比較了基于傳導(dǎo)EMI測試的無源和有源EMI濾波器設(shè)計(jì)，該類設(shè)計(jì)使用峰值和平均值檢波器來滿足國際無線電干擾特別委員會(huì) (CISPR) 25 5 類標(biāo)準(zhǔn)。每種設(shè)計(jì)都使用基于 LM25149-Q1 同步降壓直流/直流控制器的功率級，通過13.5V的汽車電池輸入提供5V和6A的輸出。開關(guān)頻率為440kHz。

圖2 比較無源濾波器方案(a)和在等效功率級工作條件下有源濾波器設(shè)計(jì)(b)

圖3所示為啟用和禁用有源EMI濾波器電路時(shí)的結(jié)果。與未濾波或原始噪聲信號相比，有源EMI濾波器的中、低頻減弱情況更不明顯。440kHz的基頻分量的峰值EMI水平降低了近50dB，這使設(shè)計(jì)人員能夠更加輕松地符合EMI的嚴(yán)格要求。

圖3 比較有源EMI濾波器處于禁用(a)和啟用(b)狀態(tài)下的濾波性能

節(jié)省PCB空間

圖4提供了無源和有源濾波器級的印刷電路板(PCB)布局比較，結(jié)果如圖2所示。電感器占用的空間從5mm x 5mm縮小到4mm x 4mm。此外，兩個(gè)隨著外加電壓而大幅降低的1210電容器被適用于有源EMI濾波器傳感、注入和補(bǔ)償?shù)膸讉€(gè)小型且值穩(wěn)定的0402器件所代替。該濾波器解決方案占用的面積減少了近50%，而體積則減少了75%以上。

圖4 無源(a)和有源(b)濾波器設(shè)計(jì)的PCB布局尺寸比較

無源器件的優(yōu)勢

如前所述，與無源濾波器設(shè)計(jì)中的電感器相比，有源EMI濾波器擁有較低的濾波器電感值，可減小占用的空間并降低成本。此外，物理尺寸較小的電感器通常具有寄生繞組電容較低而自諧振頻率較高的繞組幾何形狀，從而在CISPR 25的較高傳導(dǎo)頻率范圍內(nèi)提升濾波性能：30MHz提升至108MHz。

一些汽車設(shè)計(jì)需要兩個(gè)輸入電容器串聯(lián)連接，從而確保直接通過電池供電軌道連接時(shí)的失效防護(hù)穩(wěn)健性。因此，有源電路可額外節(jié)省空間，因?yàn)樾⌒?402/0603電感和注入電容器的串聯(lián)可替代多個(gè)1210電容器。較小的電容器可簡化器件的采購過程，因?yàn)檫@類器件隨時(shí)可以買到且不受供應(yīng)商限制。

結(jié)束語

我們會(huì)持續(xù)關(guān)注EMI，尤其是在汽車應(yīng)用中使用電壓感應(yīng)和電流注入的有源濾波器實(shí)現(xiàn)低EMI信號，并最終減少所占空間及體積，同時(shí)降低解決方案的成本。有源EMI濾波器電路與同步降壓控制器的集成有助于解決直流/直流穩(wěn)壓器應(yīng)用中低EMI與高功率密度之間的權(quán)衡問題。

其他資源

○   敬請查看以下白皮書：

●   《通過節(jié)省時(shí)間和成本的創(chuàng)新技術(shù)降低電源中的EMI》。

●   《電源的傳導(dǎo)EMI規(guī)格概述》。