如何通过@@集成式有源@@@@EMI滤波@@器降低@@EMI并缩小电源尺寸@@

从事低电磁干扰@@(EMI)应用@@的设计工程师在进行设计时通常面临着两大挑战@@:即如何在降低设计中@@电磁干扰的同时@@,缩小方案的体积@@。前端无源@@滤波@@可减少开关电源产生的传导性@@EMI,从而确保符合传导性@@EMI标准@@,但这种方法可能与增加低@@EMI设计的功率密度的要求相矛盾@@,特别是考虑到更高的开关速度对整体@@EMI信号@@的不利影响@@。这些无源@@滤波@@器往往体积庞大@@,可占电源方案总体积的@@30%。因此@@,在提高@@功率密度的同时@@,有效缩小@@EMI滤波@@器体积仍是系统设计人员的首要任务@@。

有源@@EMI滤波@@技术@@是一种较新的@@EMI滤波@@方法@@,可减弱电磁干扰@@,让工程师能够大幅缩小无源@@滤波@@器的尺寸@@、降低成本并提升@@EMI性能@@。为了说明有源@@@@EMI滤波@@器在@@EMI性能@@提升和@@空间@@节省@@方面的主要优势@@,在本文中@@@@,我将回顾集成了有源@@@@EMI滤波@@器功能的汽车同步降压控制器设计的结果@@。

EMI滤波@@

无源@@滤波@@使用@@电感器和@@电容器@@在@@EMI电流路径中@@产生阻抗失配@@,以此减少电源电路的传导发射@@。相比之下@@,有源@@滤波@@可感应输入总线上的电压@@,并产生反相的电流@@,该电流可直接与开关级产生的@@EMI电流抵消@@。

在此背景下@@,请看一下图@@@@1中@@简化的无源@@和@@有源@@@@滤波@@@@器电路@@,其中@@@@ iN 和@@ ZN 分别表示@@针对直流@@/直流稳压器的差分模式噪声诺顿等效电路的电流源和@@阻抗@@。

常规的无源@@滤波@@@@(a)和@@有源@@@@滤波@@@@(b)电路安装启用@@@@

图@@1:常规的无源@@滤波@@@@(a)和@@有源@@@@滤波@@@@(b)电路安装启用@@@@

在图@@@@1b中@@,配置了电压感应和@@电流消除@@(VSCC)的有源@@@@EMI滤波@@器使用@@运算放大器电路作为电容倍增器来代替无源@@设计中@@的滤波@@电容器@@@@(CF)。如图@@所示@@@@,有源@@滤波@@器的感应@@、注入和@@补偿阻抗使用@@相对较低的电容值和@@较小的@@188足彩外围@@app 尺寸来设计增益项@@,用@@GOP 表示@@。有效的有源@@@@电容由运算放大器电路增益和@@注入电容器@@@@ (CINJ) 设置@@。

图@@1包含有效滤波@@器截止频率的表达式@@。高效的@@GOP 可降低有源@@设计的电感和@@电容值@@,且截止频率与无源@@设计实现等效@@。

滤波@@性能@@优化@@

图@@2比较了基于传导@@EMI测试的无源@@和@@有源@@@@@@EMI滤波@@器设计@@,该类设计使用@@峰值和@@平均值检波器来满足国际无线电干扰特别委员会@@ (CISPR) 25 5 类标准@@@@。每种设计都使用@@基于@@ LM25149-Q1 同步降压直流@@/直流控制器的功率级@@,通过@@13.5V的汽车电池输入提供@@5V和@@6A的输出@@。开关频率为@@440kHz。

比较无源@@滤波@@器方案@@(a)和@@在等效功率级工作条件下有源@@滤波@@器设计@@@@(b)

图@@2:比较无源@@滤波@@器方案@@(a)和@@在等效功率级工作条件下有源@@滤波@@器设计@@@@(b)

 图@@3所示@@为启用@@和@@禁用@@有源@@@@EMI滤波@@器电路时的结果@@。与未滤波@@或@@原始噪声信号@@相比@@,有源@@EMI滤波@@器的中@@@@、低频减弱情况更不明显@@。440kHz的基频分量的峰值@@EMI水平降低了近@@50dB,这使设计人员能够更加轻松地符合@@EMI的严格要求@@。

比较有源@@@@EMI滤波@@器处于禁用@@@@(a)和@@启用@@@@(b)状态下的滤波@@性能@@@@ 

图@@3:比较有源@@@@EMI滤波@@器处于禁用@@@@(a)和@@启用@@@@(b)状态下的滤波@@性能@@@@ 

节省@@PCB空间@@

图@@4提供了无源@@和@@有源@@@@滤波@@@@器级的印刷电路板@@(PCB)布局比较@@,结果如图@@@@2所示@@。电感器占用@@的空间@@从@@5mm x 5mm缩小到@@4mm x 4mm。此外@@,两个随着外加电压而大幅降低的@@1210电容器@@被适用@@于有源@@@@EMI滤波@@器传感@@、注入和@@补偿的几个小型且值稳定的@@0402器件所代替@@。该滤波@@器解决方案占用@@的面积减少了近@@50%,而体积则减少了@@75%以上@@。

无源@@(a)和@@有源@@@@(b)滤波@@器设计@@的@@PCB布局尺寸比较@@

图@@4:无源@@(a)和@@有源@@@@(b)滤波@@器设计@@的@@PCB布局尺寸比较@@

无源@@器件的优势@@

如前所述@@,与无源@@滤波@@器设计@@中@@的电感器相比@@,有源@@EMI滤波@@器拥有较低的滤波@@器电感值@@,可减小占用@@的空间@@并降低成本@@。此外@@,物理尺寸较小的电感器通常具有寄生绕组电容较低而自谐振频率较高的绕组几何形状@@,从而在@@CISPR 25的较高传导频率范围内提升滤波@@性能@@@@:30MHz提升至@@108MHz。

一些汽车设计需要两个输入电容器@@串联连接@@,从而确保直接通过@@电池供电轨道连接时的失效防护稳健性@@。因此@@,有源@@电路可额外节省@@空间@@@@,因为小型@@0402/0603电感和@@注入电容器@@的串联可替代多个@@1210电容器@@。较小的电容器@@可简化器件的采购过程@@,因为这类器件随时可以买到且不受供应商限制@@。

结束语@@

我们会持续关注@@EMI,尤其是在汽车应用@@中@@使用@@电压感应和@@电流注入的有源@@@@滤波@@器实现低@@EMI信号@@,并最终减少所占空间@@及体积@@,同时降低解决方案的成本@@。有源@@EMI滤波@@器电路与同步降压控制器的集成有助于解决直流@@/直流稳压器应用@@中@@低@@EMI与高功率密度之间的权衡问题@@。

文章来源@@:TI E2E™ 中@@文设计论坛@@