I progettisti che lavorano su applicazioni a bassa interferenza elettromagnetica (EMI) in genere devono affrontare due sfide principali: la necessità di ridurre l'EMI dei loro progetti riducendo al contempo le dimensioni della soluzione. Il filtraggio passivo front-end per mitigare le EMI condotte generate dall'alimentatore switching garantisce la conformità con gli standard EMI condotti, ma questo metodo può essere in contrasto con la necessità di aumentare la densità di potenza dei progetti a bassa EMI, soprattutto visti gli effetti negativi di una maggiore velocità di commutazione sulla firma EMI complessiva. Questi filtri passivi tendono ad essere ingombranti e possono occupare fino al 30% del volume totale della soluzione di alimentazione. Pertanto, ridurre al minimo il volume del filtro EMI aumentando la densità di potenza rimane una priorità per i progettisti di sistemi.
Filtraggio EMI attivo (AEF) la tecnologia, un approccio relativamente nuovo al filtraggio EMI, attenua le EMI e consente agli ingegneri di ottenere una significativa riduzione delle dimensioni e dei costi del filtro passivo, oltre a migliorare le prestazioni EMI. Per illustrare i principali vantaggi che AEF può offrire in termini di prestazioni EMI e risparmio di spazio, in questo articolo tecnico esaminerò i risultati di un progetto di controller buck sincrono per autoveicoli con funzionalità AEF integrata.
Filtraggio EMI
Il filtraggio passivo riduce le emissioni condotte di un'elettronica di potenza circuito utilizzando induttori e condensatori per creare un disadattamento di impedenza nel percorso della corrente EMI. Al contrario, il filtro attivo rileva il file voltaggio al bus di ingresso e produce una corrente di fase opposta che si annulla direttamente con la corrente EMI generata da uno stadio di commutazione.
In questo contesto, dai un'occhiata ai circuiti di filtro attivi e passivi semplificati nella Figura 1, dove iN e ZN denotano rispettivamente la sorgente di corrente e l'impedenza del circuito equivalente a Norton per il rumore in modalità differenziale di un DC/DC regolatore.
Il filtro EMI attivo configurato con rilevamento della tensione e cancellazione della corrente (VSCC) nella Figura 1b utilizza un circuito amplificatore operazionale (amplificatore operazionale) come moltiplicatore capacitivo per sostituire il filtro condensatore (CF) nel design passivo. Le impedenze di rilevamento, iniezione e compensazione del filtro attivo come mostrato utilizzano valori di capacità relativamente bassi con impronte di componenti ridotte per progettare un termine di guadagno indicato come GOP. La capacità attiva effettiva è impostata dal guadagno del circuito dell'amplificatore operazionale e da un condensatore di iniezione (C.NJI).
La Figura 1 include espressioni per le frequenze di taglio del filtro effettive. Il GOP efficace consente un design attivo con ridotte dimensioni Induttore e valori di condensatore e una frequenza di taglio equivalente a quella dell'implementazione passiva.
Prestazioni di filtraggio migliorate
La Figura 2 mette a confronto i progetti di filtri EMI passivi e attivi basati su test EMI condotti per soddisfare lo standard 25 Classe 5 del Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) utilizzando rilevatori di picco e media. Ciascun progetto utilizza uno stadio di potenza basato sul controller buck DC/DC sincrono LM25149-Q1, che fornisce un'uscita di 5 V e 6 A da un ingresso della batteria per autoveicoli di 13.5 V. La frequenza di commutazione è 440 kHz.
Risparmio di spazio su PCB
La Figura 4 offre un confronto del layout della scheda a circuito stampato (PCB) degli stadi del filtro attivo e passivo che hanno fornito i risultati nella Figura 2. L'impronta dell'induttore si riduce da 5 mm per 5 mm a 4 mm per 4 mm. Inoltre, due condensatori 1210 che si riducono in modo significativo con la tensione applicata vengono sostituiti da diversi piccoli componenti 0402 a valore stabile per il rilevamento, l'iniezione e la compensazione AEF. Questa soluzione di filtro riduce l'impronta di quasi il 50%, mentre il volume diminuisce di oltre il 75%.
Vantaggi dei componenti passivi
Come ho già detto, il valore di induttanza del filtro inferiore per AEF riduce l'ingombro e il costo rispetto all'induttore in un design di filtro passivo. Inoltre, un induttore fisicamente più piccolo ha tipicamente una geometria dell'avvolgimento con una capacità di avvolgimento parassita inferiore e una frequenza di auto-risonanza più elevata, che porta a migliori prestazioni di filtraggio nella gamma di frequenza condotta più alta per CISPR 25: da 30 MHz a 108 MHz.
Alcuni progetti automobilistici richiedono due condensatori di ingresso collegati in serie per una robustezza a prova di guasto quando collegati direttamente attraverso la guida di alimentazione della batteria. Di conseguenza, il circuito attivo può supportare un ulteriore risparmio di spazio, poiché i piccoli condensatori di rilevamento e iniezione 0402/0603 si collegano in serie per sostituire più condensatori 1210. I condensatori più piccoli semplificano l'approvvigionamento dei componenti poiché i componenti sono prontamente disponibili e non vincolati dalla fornitura.
Conclusione
Nel contesto di una continua attenzione alle EMI, in particolare nelle applicazioni automobilistiche, un filtro attivo che utilizza il rilevamento della tensione e l'iniezione di corrente consente una firma EMI bassa e, in definitiva, porta a un ingombro e un volume ridotti, nonché a un costo della soluzione migliorato. L'integrazione di un circuito AEF con un controller buck sincrono aiuta a risolvere i compromessi tra basse EMI e alta densità di potenza in Regolatore CC/CC applicazioni.