德州儀器：降低EMI讓電源管理更“靜音”

近日，德州儀器召開新品發布會，德州儀器產品線經理 Roja de Cande女士向我們介紹了業內先進的獨立式有源 EMI 濾波器IC。該新品致力于幫助工程師在電源管理設計上實施更小型更輕量的EMI濾波器，以降低系統設計成本和材料成本，同時能滿足EMI監管標準。

在現代生活中，電氣系統變得愈發密集。隨著整個電氣系統變得愈發密集，對電源要求越來越高，電源功率也越來越大，使得這些應用中的 EMI 變得尤為重要。但要實現低EMI，現有的方案卻面臨兩難挑戰：既要降低設計的EMI，又要縮小電源方案的尺寸。而傳統集成無源EMI濾波器的做法就面臨這一“兩難”：雖可降低EMI，但無源濾波器往往體積較大，約占電源解決方案總體積的30%之多，難以兩全。

從近兩年的技術發展和市場需求來看，在未來高禁帶的器件，類似于碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等第三代半導體材料會使用越來越多。從功率角度來說，功率密度越來越大，前端的濾波器就可以使用AEF產品進一步縮小體積和尺寸，并且還具有相同的EMI 效果。

電源管理設計的五大挑戰

1.低電磁干擾 (EMI)：能夠盡可能地去減少系統組件的干擾，并簡化工程師的設計。有源 EMI 濾波器 (AEF) 是低 EMI產品的一種，它可以大大減少前端共模電感的體積和尺寸，進一步降低整個系統的成本。

2.提升功率密度。提高功率密度可以實現更多系統功能，從而降低成本。在提高功率密度方面，對于電源，一方面在提高整個電源的效率以及熱管理，同時進一步提高它的開關頻率，使得系統能夠用到更高的開關頻率，從而能夠用更小的電感和電容實現整個占板面積的減小和功率密度的提高。

3.降低IQ。對于電池應用，能夠延長電池壽命，以及整個電池使用時間。比如在煙感器等應用中，低 IQ 能夠大大延長產品的使用壽命和使用周期。

4.具備低噪聲和高精度。低噪聲和高精度電源能夠簡化功率鏈，提升整個產品的可靠性。

5.隔離設計。在高壓和安全關鍵性應用中能夠實現更高的工作電壓和更好的可靠性，同時實現了以更小的方案實現隔離的需求。

如何縮小獨立式有源AEF

舉個簡單的例子，日常生活中使用到的降噪耳機其實跟 AEF 有異曲同工的表現。首先是檢測噪聲，內部會集成一個高帶寬的運放。比如，先通過三相電容去檢測整個線上的噪聲，到運放里把差模分量抵消掉，把共模的分量疊加出來，這相當于檢測到了所有共模噪聲的分量，然后通過內部運放去把它反向和放大，反向和放大都是運放內部做的。最后再以一個反向電流的形式注入到輸入線上，從而去抵消原有的共模噪聲，這就是 AEF 基本的實現方式。

在應用中，考慮到漏電流的關系，所以 Y 電容是受限的，原有的被動元件不得不放大原來共模電感的感量。因為AEF的降噪流程是檢測、反向放大、注入，所以相當于是等效放大了Y電容（在100kHz至3MHz頻率范圍）。這既能夠有效減小漏電，同時也能夠放大 100kHz至3MHz的等效Y電容，進一步降低整個共模電感的感量，從而降低解決方案的體積和重量。

全新獨立式有源 EMI 濾波器IC

針對電源管理系統中涉及到的降低EMI挑戰，TI推出了新的有源 EMI 濾波器 IC 系列包括針對單相和三相商業應用的 TPSF12C1 和 TPSF12C3，以及面向汽車應用的 TPSF12C1-Q1 和 TPSF12C3-Q1。這些器件可有效降低電源 EMI 濾波器中產生的熱量，從而延長濾波電容器的使用壽命并提高系統可靠性。

沒有用AEF時，共模線圈的電感量在4 mH，直徑為70 mm；在使用了AEF之后，共模線圈直徑只有50mm，同時感量到了0.9 mH的級別。AEF使工程師能夠將共模扼流圈的電感值降低多達80%。與純無源濾波器解決方案相比，該功能使設計人員能夠將扼流圈的尺寸減小50%。而解決方案尺寸減小后，整體成本和重量也會減小。

從實際的展示板來看，左圖是原有的無源濾波器的設計，有兩個12 mH 的較大的共模線圈。使用了 AEF 之后（右圖），可以非常直觀地看到共模電感大大減小了，從原來的兩個 12mH，縮減到了一個1mH，另一個靠近整個功率端是4mH的扼流線圈。無論從體積、占板面積、重量還是成本上考慮，AEF都大大優化了整個系統的表現。TI的AEF產品包括針對單相和三相商業應用的TPSF12C1和TPSF12C3，以及面向汽車應用的TPSF12C1-Q1和 TPSF12C3-Q1，均內置了補償，對共模干擾有明顯改善，可在單相和三相交流電源系統中檢測和消除高達30dB的共模 EMI（頻率范圍為100kHz至3MHz）。