主動濾波技術實現小型低EMI電源設計 - EDN Taiwan

被動濾波使用電感器和電容器在EMI電流路徑中產生阻抗失配，以此減少電源電路的傳導發射。

相形之下，主動濾波可感應輸入匯流排上的電壓，並產生反相的電流 ... 【下周9/27直播】脈衝式TOF–讓系統更簡單和通用的多功能技術！報名抽好禮>> 登入 註冊 聯繫 首頁 新聞 TechRoom IC/電路板/系統設計應用 消費性電子 工業控制應用 軍事應用 電腦/周邊應用 通訊/網路/無線應用 汽車電子 設計揭密 設計實例 產品新知 下載 線上研討會 小測驗 視訊 申請中心 EEAwardsAsia 研討會與活動 雜誌 各期雜誌線上看 2022年9月雜誌 編輯計劃表 訂閱雜誌 論壇 工具 PCB設計工具 電路圖擷取與佈線 PCBWeb 走線寬度計算器 Internal External 走線電流計算器 Internal External 走線電阻計算器 Internal/External 阻抗計算器 Microstrip EmbeddedMicrostrip SymmetricStripline AsymmetricStripline WireMicrostrip WireStripline Edge-CoupledMicrostrip Edge-CoupledStripline BroadsideCoupledStripline RF設計工具 阻抗電路求解器 L-Match Pi-Match T-Match 電纜阻抗計算器 Coax TwistedPair 串擾計算器 Microstrip Stripline 轉換工具 RFUnitConverter 電路圖設計工具 模擬器 OnlineSPICESimulator 轉換器/檢視器 SchematicConverter/Viewer 線上電路圖擷取工具 SchematicCaptureTool 被動元件設計工具 電阻計算器 4-Band 5-Band 6-Band 標準阻值表 StandardValues 電感計算器 MagneticFieldCalculator WireSelfInductance ParallelWires Coax WireoverPlane Loop RectangleLoop Coil Broadside-CoupledTraces Edge-CoupledTraces Datasheets查询 SiliconExpert 其他 座標紙格式下載 EngineeringGraphPaper Log/LogGraphPaper Semi-LogGraphPaper SmithChartGraphPaper 數學公式 Overview Algebra Geometry TrigonometryDefinitions TrigonometryLawsandIdentities CalculusDerivativesandLimits CalculusIntegrals 數學計算 計算機 OnlineBasicCalculator OnlineScientificCalculator 查看所有工具 X 首頁»IC/電路板/系統設計應用»主動濾波技術實現小型低EMI電源設計 主動濾波技術實現小型低EMI電源設計 作者:TimHegarty,TI電源產品方案部系統與應用工程師 類別:IC/電路板/系統設計應用 2021-04-28 (0)評論 主動EMI濾波技術是一種較新的EMI濾波方法，可在減弱電磁干擾的同時，讓工程師也能大幅縮小被動濾波器的尺寸、降低成本並提升EMI性能… 設計工程師在進行低電磁干擾(EMI)的設計時通常面臨著兩難：如何在降低設計中EMI的同時，縮小方案的體積。

前端被動濾波可減少開關電源產生的傳導性EMI，從而確保符合傳導性EMI標準，但這種方法可能與增加低EMI設計的功率密度的要求相矛盾，特別是考慮到更高的開關速度對整體EMI訊號的不利影響。

這些被動濾波器往往體積龐大，可能佔到電源配置總體積的30%。

因此，在提高功率密度的同時，有效縮小EMI濾波器體積仍是系統設計人員的首要任務。

主動EMI濾波技術是一種較新的EMI濾波方法，可減弱電磁干擾，讓工程師能夠大幅縮小被動濾波器的尺寸、降低成本並提升EMI性能。

為了說明主動EMI濾波器在EMI性能提升和空間節省方面的主要優勢，本文將回顧整合了主動EMI濾波器功能的汽車同步降壓控制器設計。

【線上研討會】5G與Wi-Fi6/7生產測試線上研討會 EMI濾波 被動濾波使用電感器和電容器在EMI電流路徑中產生阻抗失配，以此減少電源電路的傳導發射。

相形之下，主動濾波可感應輸入匯流排上的電壓，並產生反相的電流，該電流可直接與開關級產生的EMI電流抵消。

在此背景下，參考圖1中簡化的被動和主動濾波器電路，其中iN和ZN分別表示針對直流/直流(DC/DC)穩壓器的差分模式雜訊諾頓等效電路的電流源和阻抗。

圖1：常規的被動濾波(a)和主動濾波(b)電路安裝啟用。

在圖1b中，配置了電壓感應和電流消除(VSCC)的主動EMI濾波器使用運算放大器電路作為電容倍增器來代替被動設計中的濾波電容器(CF)。

如圖所示，主動濾波器的感應、注入和補償阻抗使用相對較低的電容值和較小的元件尺寸來設計增益項，用GOP表示。

有效的主動電容由運算放大器電路增益和注入電容器(CINJ)設置。

圖1包含有效濾波器截止頻率的運算式。

高效的GOP可降低主動設計的電感和電容值，且截止頻率與被動設計實現等效。

濾波性能最佳化 圖2比較基於傳導EMI測試的被動和主動EMI濾波器設計，該類設計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(CISPR)255類標準。

每種設計都使用基於LM25149-Q1同步降壓DC/DC控制器的功率級，透過13.5V的車用電池輸入提供5V和6A的輸出。

開關頻率為440kHz。

圖2：比較被動濾波器方案(a)和在等效功率級工作條件下主動濾波器設計(b)。

圖3所示為啟用和禁用主動EMI濾波器電路時的結果。

與未濾波或原始雜訊訊號相比，主動EMI濾波器的中、低頻減弱情況更不明顯。

440kHz的基頻分量峰值EMI水準降低了近50dB，這使設計人員能夠更加輕鬆地符合EMI的嚴格要求。

圖3：比較主動EMI濾波器處於禁用(a)和啟用(b)狀態下的濾波性能。

節省PCB空間 圖4提供了被動和主動濾波器級的印刷電路板(PCB)佈局比較，結果如圖2所示。

電感器佔用的空間從5mmx5mm縮小到4mmx4mm。

此外，兩個隨著外加電壓而大幅降低的1210電容器被適用於主動EMI濾波器傳感、注入和補償的幾個小型且值穩定的0402元件所代替。

該濾波器解決方案佔用的面積減少了近50%，而體積則減少了75%以上。

圖4：被動(a)和主動(b)濾波器設計的PCB佈局尺寸比較。

被動元件的優勢 如前所述，與被動濾波器設計中的電感器相比，主動EMI濾波器擁有較低的濾波器電感值，可減小佔用的空間並降低成本。

此外，實體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CISPR25的較高傳導頻率範圍內提升濾波性能：30MHz提升至108MHz。

一些車載設計需要兩個輸入電容器串聯連接，從而確保直接透過電池供電軌道連接時的失效防護穩健性。

因此，主動電路可額外節省空間，因為小型0402/0603電感和注入電容器的串聯可替代多個1210電容器。

較小的電容器可簡化元件的採購過程，因為這類元件隨時可以買到且不受供應商限制。

結語 針對EMI的問題，特別是在車載應用中，使用電壓感應和電流注入的主動濾波器可實現低EMI訊號，最終減少佔用空間及體積，同時降低解決方案的成本。

主動EMI濾波器電路與同步降壓控制器的整合有助於解決DC/DC穩壓器應用中低EMI與高功率密度之間的權衡問題。

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