如何利用整合式主動EMI濾波器來降低EMI並縮小電源尺寸

TI 推出整合式主動EMI濾波器來降低EMI並縮小電源尺寸。

工業、汽車與個人運算應用中的電子系統愈發密集且互相連接，使得降低電磁干擾影響也逐漸成為重要的系統設計考量。能夠有效降低並緩解電磁干擾(EMI)的方法，通常都不是直覺化的方法，而且需要全面了解所有潛在來源。

TI最新推出業界第一款配備整合式主動EMI濾波器的DC/DC控制器，可幫助工程師實現最小巧的低EMI電源設計！請至TI熱門產品線上網頁，進一步以了解TI最小巧的低EMI電源設計，以協助破除過去在切換模式電源供應器中需面對的EMI相關取捨。

發展低電磁干擾(EMI)應用的設計工程師常會面臨兩個主要挑戰：需減少設計的EMI，同時要縮小解決方案尺寸。

前端被動濾波可減緩切換電源供應器所產生的傳導式 EMI，以確保符合傳導式EMI標準，但此方法可能與增加低EMI設計功率密度的需求相牴觸，尤其是高切換速度會對整體EMI特性造成負面影響。被動式濾波器體積通常較龐大，可佔去電源解決方案總體積的30%。因此，系統設計人員的首要任務仍為縮減EMI濾波器體積，同時提升功率密度。

主動EMI濾波(AEF)技術是相對較新的EMI濾波方法，其可進行EMI衰減並讓設計人員能夠大幅減少被動式濾波器的尺寸與成本，並可提升EMI性能。為說明AEF在EMI性能與空間節省上的主要優勢，此技術文章將針對具整合式AEF功能的汽車同步降壓控制器設計進行結果檢視。

EMI濾波

被動式濾波可透過電感器與電容器在EMI電流路徑中建立阻抗不匹配，以減少電力電子電路的傳導式排放。相反的，主動式濾波則可感測輸入匯流排電壓，並產生反相電流與切換階段產生的EMI電流抵銷。在此內文中，請看看圖1中的簡化被動式與主動式濾波器電路，其中i_N與Z_N分別代表DC/DC穩壓器差模雜訊的電流來源與諾頓等效電路阻抗。

圖1b中配備電壓感測與電流抵銷(VSCC)的主動式 EMI 濾波器將運算放大器(op-amp)電路做為電容乘法器使用，以取代被動式設計中的濾波器電容器(C_F)。圖中的主動式濾波器感測、注入與補償阻抗採用相對低的電容值與較小元件體積來設計增益，以G_OP代表。

有效主動式電容由運算放大器電路增益與注入電容器(C_INJ)設定。圖1包含有效濾波器截斷頻率顯示。有效G_OP可以較低的電感器及電容器值和與被動式執行方式同等的截止頻率，來進行主動式設計。

提升濾波性能

圖2以傳導式EMI測試為基礎，比較被動式與主動式EMI濾波器設計，使用峰值與平均偵測器來符合Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 25 Class 5標準。每個設計都採用以LM25149-Q1同步降壓DC/DC控制器為基礎的功率級，從13.5V汽車電池輸入提供5V與6A輸出。切換頻率為440kHz。

圖3表示啟用與停用AEF電路的結果。與未濾波或原始雜訊特性相比，主動式EMI濾波器的低頻中頻衰減情況好上許多。440kHz下基頻元件的峰值EMI等級減少近50 dB，讓設計人員能夠更輕鬆滿足EMI的嚴格要求。

PCB空間節省

圖4說明產生圖2結果的被動式與主動式濾波器級印刷電路板(PCB)配置比較。電感器體積從5mmx5mm降為4mmx4mm。此外，以使用電壓而降額定大幅下降的兩個1210電容器，改由數個小型且數值穩定的0402元件取代，以進行AEF感測、注入與補償。此濾波器解決方案可將板上配置減少近50%，體積更可減少75%以上。

被動元件優點

如前面提到，與被動式濾波器設計中的電感器相比，較低的AEF濾波器電感值可減少配置與成本。此外，實際體積較小的電感器的繞組幾何通常寄生繞組電容較低且自我共振頻率較高，因此可提升CISPR 25高傳導頻率範圍的濾波性能。30MHz至108MHz。

部分汽車設計在直接連接電池供應軌時，需將兩個輸入電容器以串聯方式連接，以提供容錯穩固性。因此，主動式電路可節省更多空間，將0402/0603感測與注入電容器以串聯方式連接，以取代多個1210電容器。小型電容器可簡化元件採購過程，因為元件皆可立即使用且不受供應限制。

結論

在對EMI的持續關注下，特別在汽車應用領域，採用電壓感測與電流注入的主動式濾波器可提供低EMI特性，進而縮減板上配置與體積，並減少解決方案成本。將AEF電路與同步降壓控制器整合，可幫助解決DC/DC穩壓器應用中的低EMI與高功率密度優缺點取捨。

進一步了解TI低EMI電源設計產品：LM25149-Q1，如何降低電源中EMI，請參考實用技術白皮書。