从事低电磁干扰 (EMI) 应用的设计工程师通常面临两大挑战：需要降低设计的 EMI，同时还要缩小解决方案尺寸。用于减轻开关电源产生的传导 EMI 的前端无源滤波可确保符合传导 EMI 标准，但这种方法可能与增加低 EMI 设计的功率密度的需要不一致，特别是考虑到更高整体 EMI 特征的开关速度。这些无源滤波器往往体积庞大，可能占据电源解决方案总体积的 30%。因此，在提高功率密度的同时最大限度地减小 EMI 滤波器的体积仍然是系统设计人员的首要任务。
有源 EMI 滤波 (AEF) 技术是一种相对较新的 EMI 滤波方法，可衰减 EMI，并使工程师能够显着减小无源滤波器的尺寸和成本，同时提高 EMI 性能。为了说明 AEF 在 EMI 性能和节省空间方面的主要优势，在这篇技术文章中，我将回顾具有集成 AEF 功能的汽车同步降压控制器设计的结果。
EMI滤波
无源滤波通过使用电感器和电容器在 EMI 电流路径中产生阻抗失配来减少电力电子电路的传导辐射。相比之下，有源滤波感测输入总线上的电压并产生反相电流，该电流直接与开关级产生的 EMI 电流抵消。
在这种情况下，请看一下图 1 中简化的无源和有源滤波器电路，其中 i N和 Z N分别表示 DC/DC 稳压器差模噪声的诺顿等效电路的电流源和阻抗。
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图 1：传统无源滤波 (a) 和有源滤波 (b) 电路实现 图 1b 中配置有电压检测和电流消除 (VSCC) 的有源 EMI 滤波器使用运算放大器 (op-amp) 电路作为电容倍增器来代替无源设计中的滤波电容器 (C F )。所示的有源滤波器感测、注入和补偿阻抗使用相对较低的电容值和较小的组件封装来设计表示为 G OP的增益项。有效有源电容由运算放大器电路增益和注入电容器(C INJ ) 设置。
图 1 包括有效滤波器截止频率的表达式。有效的 G OP支持有源设计，其电感和电容值降低，截止频率与无源实现的截止频率相同。
改进的过滤性能
图 2 比较了基于传导 EMI 测试的无源和有源 EMI 滤波器设计，以使用峰值和平均检测器满足 Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 25 Class 5 标准。每个设计都使用基于 LM25149-Q1 同步降压 DC/DC 控制器的功率级，从 13.5V 的汽车电池输入提供 5V 和 6A 的输出。开关频率为 440kHz。
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图 2：比较使用等效功率级工作条件的无源滤波器解决方案 (a) 和有源滤波器设计 (b)
图 3 显示了启用和禁用 AEF 电路时的结果。与未过滤或原始噪声特征相比，有源 EMI 滤波器显示出更好的低频和中频衰减。440 kHz 的基频分量的峰值 EMI 水平降低了近 50 dB，使设计人员更容易满足严格的 EMI 要求。
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图 3：比较 AEF 禁用 (a) 和启用 (b) 时的过滤性能 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。电感器占位面积从 5 mm x 5 mm 减少到 4 mm x 4 mm。此外，两个随施加电压显着降额的 1210 电容器被几个用于 AEF 感测、注入和补偿的小型、稳定值的 0402 组件所取代。该过滤器解决方案将占地面积减少了近 50%，而体积减少了 75% 以上。
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图 4：无源 (a) 和有源 (b) 滤波器设计的 PCB 布局尺寸比较 无源元件优势
正如我所提到的，与无源滤波器设计中的电感相比，AEF 的较低滤波器电感值减少了占位面积和成本。此外，物理上较小的电感器通常具有具有较低寄生绕组电容和较高自谐振频率的绕组几何形状，从而在 CISPR 25：30 MHz 至 108 MHz 的较高传导频率范围内提供更好的滤波性能。
当直接跨电池供电轨连接时，一些汽车设计需要两个串联的输入电容器以实现故障安全鲁棒性。因此，有源电路可以支持额外的空间节省，因为小型 0402/0603 传感和注入电容器串联连接以取代多个 1210 电容器。较小的电容器简化了组件采购，因为组件随时可用且不受供应限制。
结论
在持续关注 EMI 的过程中，尤其是在汽车应用中，使用电压检测和电流注入的有源滤波器可实现低 EMI 特征并最终减少占用空间和体积，并提高解决方案成本。AEF 电路与同步降压控制器的集成有助于解决 DC/DC 稳压器应用中低 EMI 和高功率密度之间的权衡。
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