Vývojári pracujúci na aplikáciách s nízkym elektromagnetickým rušením (EMI) spravidla čelia dvom hlavným výzvam: potrebe znížiť EMI svojich návrhov a súčasne zmenšiť veľkosť celkového riešenia. Prvorné pasívne filtrovanie na zmiernenie vytváraného EMI generovaného napríklad spínacím zdrojom zaisťuje súlad s normami vedeného EMI, ale táto metóda môže byť v rozpore s potrebou zvýšiť hustotu výkonu pri nízkoemisných prevedeniach, najmä vzhľadom na nepriaznivé účinky vyšších rýchlosti spínania na celkovom podpise EMI. Tieto pasívne filtre bývajú pomerne značne objemné a môžu zaberať až 30% z celkového objemu energetického toku. Minimalizácia objemu filtra EMI a súčasne zvýšenie hustoty výkonu zostáva preto pre vývojárov systémov prioritou.

Technológia aktívneho filtrovania EMI (AEF), relatívne nový prístup k filtrovaniu EMI, oslabuje EMI a umožňuje vývojárom dosiahnuť úpmerne výrazné zníženie veľkosti a nákladov pasívneho filtra spolu so zlepšeným výkonom EMI. Aby som ilustroval kľúčové výhody, ktoré môže AEF ponúknuť z hľadiska výkonu EMI a úspory miesta, v tomto článku sa pozrieme na výsledky z konštrukcie automobilového synchrónneho regulátora Buck s integrovanou funkciou AEF.

EMI filtrovanie

Pasívne filtrovanie znižuje vyžarované emisie výkonového elektronického obvodu pomocou induktorov a kondenzátorov na vytvorenie nesúladu impedancie v prúdovej ceste EMI. Naproti tomu aktívne filtrovanie sníma napätie na vstupnej zbernici a vytvára prúd opačnej fázy, ktorý sa priamo ruší prúdom EMI generovaným spínacím stupňom.

V tomto kontexte sa pozrite na zjednodušené pasívne a aktívne filtračné obvody na obrázku nižšie, kde i_N a Z_N označujú zdroj prúdu a impedanciu obvodu ekvivalentného Nortonu pre šum diferenciálneho režimu regulátora DC/DC.

1. Implementácie konvenčného pasívneho filtrovania (a) a aktívneho filtrovania (b)

Aktívny EMI filter nakonfigurovaný so zmyslom napätia a zrušením prúdu (VSCC) na obrázku 1b používa obvod operačného zosilňovača (op-amp) ako kapacitný multiplikátor na nahradenie filtračného kondenzátora (C_F) v pasívnom prevedení. Aktívne filtrovacie snímacie a kompenzačné impedancie, ako je znázornené, používajú relatívne nízke kapacitné hodnoty s malými stopami komponentov na návrh výrazu zosilnenia označovaného ako G_OP. Efektívna aktívna kapacita je nastavená zosilnením obvodu operačného zosilňovača a kondenzátorom (C_INJ).

Obrázok vyššie obsahuje prvky pre efektívne medzné frekvencie filtra. Efektívny GOP umožňuje aktívny dizajn so zníženými hodnotami induktora a kondenzátora a medznou frekvenciou ekvivalentnou pasívnej implementácii.

Vylepšený výkon filtrovania

Obrázok nižšie porovnáva návrhy pasívnych a aktívnych filtrov EMI na základe vykonaných testov EMI, aby spĺňali štandard Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 25 triedy 5 s použitím špičkových a priemerných detektorov. Každý návrh používa výkonový stupeň založený na synchrónnom DC/DC  LM25149-Q1 so synchrónnym napájaním, ktorý poskytuje výstup 5 V a 6 A zo vstupu automobilovej batérie 13,5 V. Spínacia frekvencia je 440 kHz.

2. Porovnanie pasívneho filtračného riešenia (a) a konštrukcie aktívneho filtra (b) s použitím ekvivalentných prevádzkových podmienok výkonového stupňa

Na obrázku nižšie sú uvedené výsledky pri zapínaní a vypínaní obvodu AEF. Aktívny filter EMI vykazuje oveľa lepšie zoslabenie nízkych a stredných frekvencií v porovnaní s nefiltrovaným alebo surovým podpisom šumu. Základná frekvenčná zložka pri 440 kHz má svoju špičkovú úroveň EMI zníženú o takmer 50 dB, čo vývojárom výrazne uľahčuje splnenie prísnych požiadaviek EMI.

3. Porovnanie výkonu filtrovania, keď je AEF deaktivovaný (a) a aktivovaný (b)

Úspora miesta na DPS

Obrázok nižšie ukazuje porovnanie rozloženia dosiek plošných spojov (PCB) pasívnych a aktívnych filtračných stupňov, podľa obrázku 2. Stopa induktora sa znižuje z 5 mm na 5 mm na 4 mm o 4 mm. Okrem toho sú dva kondenzátory 1210, ktoré sa výrazne znižujú s aplikovaným napätím, nahradené niekoľkými malými, stabilne hodnotenými komponentmi 0402 na snímanie a a kompenzáciu AEF. Tento filtračný tok znižuje stopu takmer o 50%, zatiaľ čo objem klesá o viac ako 75%.

4. Porovnanie veľkosti rozloženia DPS s návrhmi pasívnych (a) a aktívnych (b) filtrov

Výhody pasívnych komponentov

Ako som už spomenul, nižšia hodnota indukčnosti filtra pre AEF znižuje stopu a náklady v porovnaní s induktorom v prevedení pasívneho filtra. Fyzicky menší induktor má navyše typicky geometriu vinutia s nižšou kapacitou parazitného vinutia a vyššou rezonančnou frekvenciou, čo vedie k lepšiemu výkonu filtrácie vo vyššom frekvenčnom rozsahu pre CISPR 25: 30 MHz až 108 MHz.

Niektoré automobilové konštrukcie vyžadujú dva sériovo zapojené vstupné kondenzátory, aby bola zaistená odolnosť voči poruchám, keď sú zapojené priamo cez vedenie napájajúce batériu. Výsledkom je, že aktívny obvod môže podporovať dodatočné úspory miesta, pretože malé snímacie kondenzátory 0402/0603 sa zapoja do série a nahradia viac kondenzátorov 1210. Menšie kondenzátory zjednodušujú obstarávanie komponentov, pretože pasívne komponenty sú ľahko dostupné a nie sú obmedzené dodávkou.

Záver

Vďaka neustálemu zameraniu na EMI, najmä v automobilových aplikáciách, aktívny filter využívajúci snímanie napätia a prúdového vstrekovania umožňuje nízky podpis EMI a v konečnom dôsledku vedie k zníženiu stopy a objemu, ako aj k lepším nákladom na riešenie. Integrácia obvodu AEF so synchrónnym regulátorom Buck pomáha vyriešiť kompromisy medzi nízkym EMI a vysokou hustotou výkonu v aplikáciách regulátora DC/DC.

Zdroje

How to reduce EMI and shrink power-supply size with an integrated active EMI filter