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

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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@@

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