Los ingenieros de diseño que trabajan en aplicaciones de baja interferencia electromagnética (EMI) generalmente enfrentan dos desafíos principales: la necesidad de reducir la EMI de sus diseños y al mismo tiempo reducir el tamaño de la solución. El filtrado pasivo de front-end para mitigar la EMI conducida generada por la fuente de alimentación conmutada garantiza el cumplimiento de los estándares de EMI conducida, pero este método puede estar en desacuerdo con la necesidad de aumentar la densidad de potencia de los diseños de EMI baja, especialmente dados los efectos adversos de una EMI más alta. velocidades de conmutación en la firma EMI general. Estos filtros pasivos tienden a ser voluminosos y pueden ocupar hasta un 30% del volumen total de la solución de energía. Por lo tanto, minimizar el volumen del filtro EMI mientras se aumenta la densidad de potencia sigue siendo una prioridad para los diseñadores de sistemas.
Filtrado EMI activo (AEF) la tecnología, un enfoque relativamente nuevo para el filtrado EMI, atenúa la EMI y permite a los ingenieros lograr una reducción significativa en el tamaño y el costo del filtro pasivo, junto con un rendimiento EMI mejorado. Para ilustrar los beneficios clave que AEF puede ofrecer en términos de rendimiento EMI y ahorro de espacio, en este artículo técnico revisaré los resultados de un diseño de controlador reductor síncrono automotriz con funcionalidad AEF integrada.
Filtrado EMI
El filtrado pasivo reduce las emisiones conducidas de una electrónica de potencia circuito mediante el uso de inductores y condensadores para crear un desajuste de impedancia en la ruta de corriente EMI. Por el contrario, el filtrado activo detecta la voltaje en el bus de entrada y produce una corriente de fase opuesta que se cancela directamente con la corriente EMI generada por una etapa de conmutación.
Dentro de este contexto, eche un vistazo a los circuitos de filtro pasivo y activo simplificados en la Figura 1, donde iN Y ZN denotan respectivamente la fuente de corriente y la impedancia del circuito equivalente de Norton para el ruido de modo diferencial de un DC/DC organismo regulador.
El filtro EMI activo configurado con detección de voltaje y cancelación de corriente (VSCC) en la Figura 1b utiliza un circuito amplificador operacional (op-amp) como multiplicador capacitivo para reemplazar el filtro. condensador (CF) en el diseño pasivo. Las impedancias de detección, inyección y compensación del filtro activo, como se muestra, usan valores de capacitancia relativamente bajos con huellas de componentes pequeñas para diseñar un término de ganancia denotado como GOP. La capacitancia activa efectiva se establece mediante la ganancia del circuito del amplificador operacional y un capacitor de inyección (CNJI).
La Figura 1 incluye expresiones para las frecuencias de corte de filtro efectivas. El GOP efectivo permite un diseño activo con reducción Inductor y valores de condensador y una frecuencia de corte equivalente a la de la implementación pasiva.
Rendimiento de filtrado mejorado
La Figura 2 compara diseños de filtros EMI pasivos y activos basados en pruebas EMI realizadas para cumplir con el estándar Clase 25 del Comité Internacional Especial de Perturbaciones Radioeléctricas (CISPR) 5 utilizando detectores de pico y promedio. Cada diseño utiliza una etapa de potencia basada en el controlador reductor CC/CC síncrono LM25149-Q1, que proporciona una salida de 5 V y 6 A desde una entrada de batería automotriz de 13.5 V. La frecuencia de conmutación es de 440 kHz.
Ahorro de espacio en PCB
La Figura 4 ofrece una comparación del diseño de la placa de circuito impreso (PCB) de las etapas de filtro pasivo y activo que proporcionó los resultados de la Figura 2. La huella del inductor se reduce de 5 mm por 5 mm a 4 mm por 4 mm. Además, dos condensadores 1210 que se reducen significativamente con el voltaje aplicado son reemplazados por varios componentes 0402 pequeños y de valor estable para detección, inyección y compensación de AEF. Esta solución de filtro reduce la huella en casi un 50%, mientras que el volumen disminuye en más del 75%.
Ventajas de los componentes pasivos
Como mencioné, el valor de inductancia de filtro más bajo para AEF reduce la huella y el costo en comparación con el inductor en un diseño de filtro pasivo. Además, un inductor físicamente más pequeño generalmente tiene una geometría de devanado con una capacitancia de devanado parásito más baja y una frecuencia de autorresonación más alta, lo que conduce a un mejor rendimiento de filtrado en el rango de frecuencia conducida más alto para CISPR 25: 30 MHz a 108 MHz.
Algunos diseños automotrices requieren dos capacitores de entrada conectados en serie para una robustez a prueba de fallas cuando se conectan directamente a través del riel de suministro de batería. Como resultado, el circuito activo puede permitir ahorros de espacio adicionales, ya que pequeños condensadores de detección e inyección 0402/0603 se conectan en serie para reemplazar múltiples condensadores 1210. Los condensadores más pequeños simplifican la adquisición de componentes, ya que los componentes están fácilmente disponibles y no tienen restricciones de suministro.
Conclusión
En medio de un enfoque continuo en EMI, particularmente en aplicaciones automotrices, un filtro activo que utiliza detección de voltaje e inyección de corriente permite una firma EMI baja y, en última instancia, conduce a una huella y un volumen reducidos, así como a un costo de solución mejorado. La integración de un circuito AEF con un controlador reductor síncrono ayuda a resolver las compensaciones entre baja EMI y alta densidad de potencia en Regulador CC/CC aplicaciones.