Insinyur desain yang mengerjakan aplikasi interferensi elektromagnetik rendah (EMI) biasanya menghadapi dua tantangan utama: kebutuhan untuk mengurangi EMI desain mereka sambil juga memperkecil ukuran solusi. Pemfilteran pasif front-end untuk mengurangi EMI yang dilakukan yang dihasilkan oleh catu daya switching memastikan kepatuhan dengan standar EMI yang dilakukan, tetapi metode ini dapat bertentangan dengan kebutuhan untuk meningkatkan kepadatan daya desain EMI rendah, terutama mengingat efek samping yang lebih tinggi. kecepatan switching pada keseluruhan tanda tangan EMI. Filter pasif ini cenderung besar dan dapat menempati sebanyak 30% dari total volume solusi daya. Oleh karena itu, meminimalkan volume filter EMI sambil meningkatkan kepadatan daya tetap menjadi prioritas bagi perancang sistem.
Pemfilteran EMI aktif (AEF) teknologi, pendekatan yang relatif baru terhadap pemfilteran EMI, melemahkan EMI dan memungkinkan para insinyur mencapai pengurangan yang signifikan dalam ukuran dan biaya filter pasif, serta peningkatan kinerja EMI. Untuk mengilustrasikan manfaat utama yang dapat ditawarkan AEF dalam hal kinerja EMI dan penghematan ruang, dalam artikel teknis ini saya akan meninjau hasil desain pengontrol buck sinkron otomotif dengan fungsionalitas AEF terintegrasi.
Pemfilteran EMI
Pemfilteran pasif mengurangi emisi konduksi dari sebuah elektronik daya sirkit dengan menggunakan induktor dan kapasitor untuk membuat ketidakcocokan impedansi di jalur arus EMI. Sebaliknya, pemfilteran aktif merasakan tegangan di bus input dan menghasilkan arus fase berlawanan yang langsung membatalkan dengan arus EMI yang dihasilkan oleh tahap switching.
Dalam konteks ini, lihat rangkaian filter pasif dan aktif yang disederhanakan pada Gambar 1, di mana iN dan ZN masing-masing menunjukkan sumber arus dan impedansi rangkaian setara Norton untuk kebisingan mode diferensial DC/DC pengatur.
Filter EMI aktif yang dikonfigurasikan dengan sensor tegangan dan pembatalan arus (VSCC) pada Gambar 1b menggunakan rangkaian penguat operasional (op-amp) sebagai pengganda kapasitif untuk menggantikan filter kapasitor (CF) dalam desain pasif. Penginderaan filter aktif, injeksi dan impedansi kompensasi seperti yang ditunjukkan menggunakan nilai kapasitansi yang relatif rendah dengan jejak komponen kecil untuk merancang istilah penguatan yang dilambangkan sebagai GOP. Kapasitansi aktif efektif ditentukan oleh penguatan rangkaian op-amp dan kapasitor injeksi (C.NJI).
Gambar 1 mencakup ekspresi untuk frekuensi pemutusan filter yang efektif. GOP yang efektif memungkinkan desain aktif dengan pengurangan Induktor dan nilai kapasitor dan frekuensi cutoff yang setara dengan implementasi pasif.
Peningkatan kinerja pemfilteran
Gambar 2 membandingkan desain filter EMI pasif dan aktif berdasarkan pengujian EMI yang dilakukan untuk memenuhi standar Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 25 Kelas 5 menggunakan detektor puncak dan rata-rata. Setiap desain menggunakan tahap daya berdasarkan pengontrol DC/DC buck sinkron LM25149-Q1, memberikan output 5 V dan 6 A dari input baterai otomotif 13.5 V. Frekuensi peralihan adalah 440 kHz.
Penghematan ruang PCB
Gambar 4 menawarkan perbandingan tata letak papan sirkuit cetak (PCB) dari tahap filter pasif dan aktif yang memberikan hasil pada Gambar 2. Jejak induktor berkurang dari 5 mm kali 5 mm menjadi 4 mm kali 4 mm. Selain itu, dua kapasitor 1210 yang turun secara signifikan dengan tegangan yang diberikan diganti oleh beberapa komponen 0402 kecil yang bernilai stabil untuk penginderaan, injeksi, dan kompensasi AEF. Solusi filter ini mengurangi footprint hampir 50%, sedangkan volume berkurang lebih dari 75%.
Keunggulan komponen pasif
Seperti yang saya sebutkan, nilai induktansi filter yang lebih rendah untuk AEF mengurangi jejak dan biaya dibandingkan dengan induktor dalam desain filter pasif. Selain itu, induktor yang secara fisik lebih kecil biasanya memiliki geometri belitan dengan kapasitansi belitan parasit yang lebih rendah dan frekuensi resonansi sendiri yang lebih tinggi, yang menghasilkan kinerja penyaringan yang lebih baik dalam rentang frekuensi yang lebih tinggi untuk CISPR 25: 30 MHz hingga 108 MHz.
Beberapa desain otomotif memerlukan dua kapasitor input yang dihubungkan secara seri untuk ketahanan terhadap kegagalan saat dihubungkan langsung melintasi rel pemasok baterai. Hasilnya, rangkaian aktif dapat mendukung penghematan ruang tambahan, karena kapasitor penginderaan dan injeksi 0402/0603 kecil dihubungkan secara seri untuk menggantikan beberapa kapasitor 1210. Kapasitor yang lebih kecil menyederhanakan pengadaan komponen karena komponen sudah tersedia dan tidak dibatasi pasokan.
Kesimpulan
Di tengah fokus berkelanjutan pada EMI, khususnya dalam aplikasi otomotif, filter aktif yang menggunakan indra tegangan dan injeksi arus memungkinkan tanda tangan EMI yang rendah dan pada akhirnya menghasilkan pengurangan jejak dan volume, serta peningkatan biaya solusi. Integrasi sirkuit AEF dengan pengontrol buck sinkron membantu menyelesaikan trade-off antara EMI rendah dan kepadatan daya tinggi di Pengatur DC/DC aplikasi.