Konstrukteure, die an Anwendungen mit geringer elektromagnetischer Interferenz (EMI) arbeiten, stehen in der Regel vor zwei großen Herausforderungen: der Notwendigkeit, die EMI ihrer Konstruktionen zu reduzieren und gleichzeitig die Größe der Lösung zu verringern. Die passive Front-End-Filterung zur Minderung der durch das Schaltnetzteil erzeugten leitungsgebundenen EMI stellt die Einhaltung der leitungsgebundenen EMI-Standards sicher. Diese Methode kann jedoch im Widerspruch zu der Notwendigkeit stehen, die Leistungsdichte von Designs mit niedriger EMI zu erhöhen, insbesondere angesichts der nachteiligen Auswirkungen höherer EMI Schaltgeschwindigkeiten für die gesamte EMI-Signatur. Diese passiven Filter sind in der Regel sperrig und können bis zu 30% des Gesamtvolumens der Stromversorgungslösung einnehmen. Daher bleibt die Minimierung des Volumens des EMI-Filters bei gleichzeitiger Erhöhung der Leistungsdichte für Systementwickler eine Priorität.
Aktive EMI-Filterung (AEF) Technologie, ein relativ neuer Ansatz zur EMI-Filterung, dämpft EMI und ermöglicht Ingenieuren eine deutliche Reduzierung der Größe und Kosten passiver Filter sowie eine verbesserte EMI-Leistung. Um die wichtigsten Vorteile zu veranschaulichen, die AEF in Bezug auf EMI-Leistung und Platzeinsparungen bieten kann, werde ich in diesem technischen Artikel die Ergebnisse eines synchronen Buck-Controller-Designs für die Automobilindustrie mit integrierter AEF-Funktionalität besprechen.
EMI-Filterung
Passive Filterung reduziert die leitungsgebundenen Emissionen einer Leistungselektronik Schaltung durch Verwendung von Induktivitäten und Kondensatoren, um eine Impedanzfehlanpassung im EMI-Strompfad zu erzeugen. Im Gegensatz dazu erkennt die aktive Filterung die Spannung am Eingangsbus und erzeugt einen Strom entgegengesetzter Phase, der direkt mit dem von einer Schaltstufe erzeugten EMI-Strom aufgehoben wird.
Schauen Sie sich in diesem Zusammenhang die vereinfachten passiven und aktiven Filterschaltungen in Abbildung 1 an, in der iN und ZN bezeichnen jeweils die Stromquelle und die Impedanz des Norton-Ersatzschaltkreises für Gegentaktrauschen eines DC/DC Regler.
Der aktive EMI-Filter mit Spannungserkennung und Stromunterdrückung (VSCC) in Abbildung 1b verwendet eine Operationsverstärkerschaltung (Op-Amp) als kapazitiven Multiplikator, um den Filter zu ersetzen Kondensator (CF) im passiven Design. Die gezeigten aktiven Filtererfassungs-, Einspritz- und Kompensationsimpedanzen verwenden relativ niedrige Kapazitätswerte mit kleinen Bauteilabdrücken, um einen als G bezeichneten Verstärkungsterm zu entwerfenOP. Die effektive aktive Kapazität wird durch die Verstärkung der Operationsverstärkerschaltung und einen Injektionskondensator (C) eingestelltNJI).
Abbildung 1 enthält Ausdrücke für die effektiven Filtergrenzfrequenzen. Die effektive GOP ermöglicht ein aktives Design mit reduzierter Induktor und Kondensatorwerte und eine Grenzfrequenz, die der der passiven Implementierung entspricht.
Verbesserte Filterleistung
Abbildung 2 vergleicht passive und aktive EMI-Filterdesigns basierend auf durchgeführten EMI-Tests zur Erfüllung des Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 25 Klasse 5-Standards unter Verwendung von Spitzen- und Durchschnittsdetektoren. Jedes Design verwendet eine Leistungsstufe, die auf dem synchronen DC/DC-Abwärtsregler LM25149-Q1 basiert und einen Ausgang von 5 V und 6 A aus einem Autobatterieeingang von 13.5 V liefert. Die Schaltfrequenz beträgt 440 kHz.
Platzersparnis bei Leiterplatten
Abbildung 4 bietet einen Vergleich der Leiterplattenlayouts der passiven und aktiven Filterstufen, die die Ergebnisse in Abbildung 2 lieferten. Der Platzbedarf des Induktors verringert sich von 5 mm x 5 mm auf 4 mm x 4 mm. Darüber hinaus werden zwei 1210-Kondensatoren, die mit der angelegten Spannung erheblich abnehmen, durch mehrere kleine 0402-Komponenten mit stabilem Wert für die AEF-Erfassung, -Injektion und -Kompensation ersetzt. Diese Filterlösung verringert den Platzbedarf um fast 50%, während das Volumen um über 75% abnimmt.
Passive Komponentenvorteile
Wie bereits erwähnt, reduziert der niedrigere Filterinduktivitätswert für AEF den Platzbedarf und die Kosten im Vergleich zum Induktor in einem passiven Filterdesign. Darüber hinaus weist ein physikalisch kleinerer Induktor typischerweise eine Wicklungsgeometrie mit einer geringeren parasitären Wicklungskapazität und einer höheren Eigenresonanzfrequenz auf, was zu einer besseren Filterleistung im höher leitenden Frequenzbereich für CISPR 25: 30 MHz bis 108 MHz führt.
Einige Fahrzeugkonstruktionen erfordern zwei in Reihe geschaltete Eingangskondensatoren für eine ausfallsichere Robustheit, wenn sie direkt über die Batterieversorgungsschiene angeschlossen werden. Infolgedessen kann die aktive Schaltung zusätzliche Platzersparnisse unterstützen, da kleine 0402/0603-Erfassungs- und Einspritzkondensatoren in Reihe geschaltet werden, um mehrere 1210-Kondensatoren zu ersetzen. Die kleineren Kondensatoren vereinfachen die Beschaffung von Komponenten, da Komponenten leicht verfügbar und nicht an die Versorgung gebunden sind.
Fazit
Angesichts der kontinuierlichen Fokussierung auf EMI, insbesondere in Automobilanwendungen, ermöglicht ein aktiver Filter mit Spannungserkennung und Stromeinspeisung eine niedrige EMI-Signatur und führt letztendlich zu einem geringeren Platzbedarf und Volumen sowie verbesserten Lösungskosten. Die Integration einer AEF-Schaltung mit einem synchronen Abwärtsregler trägt dazu bei, die Kompromisse zwischen geringer EMI und hoher Leistungsdichte zu lösen DC/DC-Regler um weitere Anwendungsbeispiele zu finden.