如何通過內(nèi)置有源 EMI 濾波器降低 EMI 并減小電源尺寸

    隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及各種新型用電設(shè)備的普及，如何給這些設(shè)備提供穩(wěn)定、安全高效、干凈的電能變得越來越重要。開關(guān)功率變換器由于重量小、體積輕、效率高，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)在電源中得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，但其高頻開、關(guān)工作特性，會產(chǎn)生大量的電磁干擾（EMI），嚴(yán)重污染 周圍電磁環(huán)境和電源系統(tǒng)，這不僅會使變換電路自身的可靠性降低，而且使電網(wǎng)及鄰近設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量受到影響。

有源濾波技術(shù)根據(jù)應(yīng)用場合可以分為有源EMI濾波器（AEF）和有源電力濾波器（APF）。AEF的工作原理是通過注入一個與原噪聲電流 大小相等，方向相反的補(bǔ)償信號，以此來達(dá)到消去電路中的噪聲電流的目的，說明AEF （有源EMI濾波）對于EMI （電磁干擾）性能和面積減少的主要優(yōu)勢。 

    低EMI設(shè)計者正在從事應(yīng)用程序的設(shè)計，降低EMI和減少EMI 的同時還必須減小解決方案尺寸，經(jīng)常面臨的重大挑戰(zhàn)之一。前端無源濾波可降低開關(guān)電源中發(fā)生的傳導(dǎo)EMI ，可用于滿足傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)，但尤其是增加開關(guān)速率會對整體EMI特征產(chǎn)生不利影響。鑒于此，這種方法可能與需求發(fā)生沖突用于提高低EMI設(shè)計中的功率密度。此外，這些無源濾波器通常又大又笨重，有時高達(dá)電源解決方案總體積的30% 。因此，提高功率密度，同時最小化的尺寸的所述EMI濾波器仍然是系統(tǒng)設(shè)計者的優(yōu)先事項(xiàng)。 

另一方面，AEF技術(shù)是一種相對較新的EMI濾波技術(shù)，不僅顯著降低了無源濾波器的尺寸和成本，而且還提高了EMI性能。 

EMI濾波 

無源濾波通過使用電感器和電容器在EMI電流路徑中產(chǎn)生阻抗失配來減少電力電子電路中的傳導(dǎo)輻射。相比之下，有源濾波感測輸入總線上的電壓并產(chǎn)生反相電流，直接抵消開關(guān)級中產(chǎn)生的EMI電流。 

考慮到這一點(diǎn)，讓我們看一下圖1 中所示的無源和有源濾波器的簡化原理圖。對于DC/DC穩(wěn)壓器的差模噪聲，諾頓等效電路的電流源和阻抗分別用i N和Z N表示。 

圖1 ：傳統(tǒng)無源濾波(a)和有源濾波(b) 的電路實(shí)現(xiàn) 

電壓感測和電流消除（VSCC活性組成）EMI濾波器（圖1B中），濾波電容器（被動設(shè)計? ?F代替）使用運(yùn)算放大器電路的電容乘法器。圖中所示的有源濾波器的傳感（SEN ）、注入（INJ ）和補(bǔ)償（COMP ）阻抗是相對較低的電容值，為了獲得所示的增益項(xiàng)，占據(jù)元件的小面積由G OP.使用。有效有源電容由運(yùn)算放大器電路的增益和注入電容器 ( C INJ ) 決定。 

圖1還顯示了計算濾波器有效截止頻率的公式。這種有效的G OP允許有源設(shè)計實(shí)現(xiàn)與無源實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)慕刂诡l率，同時降低電感器和電容器值。 

改進(jìn)的過濾性能 

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，使用峰值和平均檢波器符合CISPR （國際無線電干擾特別委員會）25類5標(biāo)準(zhǔn)。每個設(shè)計都使用帶有同步降壓DC/DC控制器“ LM25149-Q1 ”的電源級，以從13.5V車載電池輸入獲得5V和6A輸出。開關(guān)頻率為440kHz 。 

圖2 ：相同功率級工作條件下無源濾波器設(shè)計(a)和有源濾波器設(shè)計(b)的比較 

圖3顯示了啟用和不啟用AEF電路的結(jié)果。有源EMI濾波器比未過濾或未處理的噪聲特征提供更好的中低頻衰減。440kHz EMI級基頻分量峰值為50dB ，較低接近，嚴(yán)格的EMI使其易于適應(yīng)要求。 

圖3 ：AEF禁用(a)和啟用(b)時的過濾性能比較 

減少PCB面積 

圖4顯示了產(chǎn)生圖2所示結(jié)果的無源和有源濾波器級的印刷電路板 ( PCB ) 布局的比較。電感的占用面積從5mm x 5mm減少到4mm x 4mm 。而且，由于外加電壓顯著降低了2個1210電容，AEF感測，注入，對應(yīng)補(bǔ)償，穩(wěn)定緊湊的0402已被部分替換。這種過濾器解決方案的尺寸面積減少了近50 % ，體積減少了75% 以上。 

圖4 ：無源(a)和有源(b)濾波器設(shè)計中PCB布局的尺寸比較 

無源元件的好處 

如所提到的較早，低濾波器電感值AEF相比具有無源濾波器設(shè)計電感器減少了占用空間和成本。此外，體積更小的電感器具有低寄生繞組電容和高自諧振頻率的繞組形狀，這提高了CISPR 25 在高導(dǎo)通頻率范圍（30MHz至108MHz ）上的濾波性能。 

當(dāng)直接連接到電池電源軌時，一些汽車設(shè)計需要串聯(lián)連接兩個輸入電容器以實(shí)現(xiàn)故障安全和穩(wěn)健性。在有源電路中，小型0402/0603感應(yīng)和注入電容器串聯(lián)連接，而不是多個1210電容器，從而進(jìn)一步節(jié)省空間。更小的電容器更容易獲得并且沒有供應(yīng)限制，這簡化了零件采購。 

概括 

隨著對EMI的持續(xù)關(guān)注，特別是在汽車應(yīng)用中，利用電壓感應(yīng)和電流注入的有源濾波器不僅實(shí)現(xiàn)了低EMI特征，而且最終減少了解決方案的占地面積和體積以及解決方案的成本。將導(dǎo)致改進(jìn). 同步降壓控制器AEF內(nèi)置電路，低EMI ，高功率密度DC/DC不利于解決穩(wěn)壓器應(yīng)用日你的權(quán)衡問題。