Jurutera reka bentuk yang bekerja pada aplikasi gangguan elektromagnetik rendah (EMI) biasanya menghadapi dua cabaran utama: keperluan untuk mengurangkan EMI reka bentuk mereka sambil juga mengecilkan ukuran penyelesaian. Penapisan pasif front-end untuk mengurangkan EMI yang dijalankan yang dihasilkan oleh bekalan kuasa beralih memastikan pematuhan dengan piawaian EMI yang dijalankan, tetapi kaedah ini bertentangan dengan keperluan untuk meningkatkan kepadatan daya reka bentuk EMI rendah, terutamanya memandangkan kesan buruk yang lebih tinggi menukar kelajuan pada keseluruhan tanda tangan EMI. Penapis pasif ini cenderung besar dan dapat menempati sebanyak 30% daripada jumlah keseluruhan larutan kuasa. Oleh itu, meminimumkan kelantangan penapis EMI sambil meningkatkan ketumpatan kuasa tetap menjadi keutamaan bagi pereka sistem.
Penapisan EMI aktif (AEF) teknologi, pendekatan yang agak baharu untuk penapisan EMI, melemahkan EMI dan membolehkan jurutera mencapai pengurangan ketara dalam saiz dan kos penapis pasif, bersama-sama dengan prestasi EMI yang lebih baik. Untuk menggambarkan faedah utama yang AEF boleh tawarkan dari segi prestasi EMI dan penjimatan ruang, dalam artikel teknikal ini saya akan menyemak hasil daripada reka bentuk pengawal buck segerak automotif dengan fungsi AEF bersepadu.
Penapisan EMI
Penapisan pasif mengurangkan pelepasan elektronik kuasa yang dilakukan litar dengan menggunakan induktor dan kapasitor untuk membuat ketidakcocokan impedans di laluan semasa EMI. Sebaliknya, penapisan aktif merasakan voltan pada bas input dan menghasilkan arus fasa bertentangan yang secara langsung membatalkan dengan arus EMI yang dihasilkan oleh tahap beralih.
Dalam konteks ini, lihat litar penapis pasif dan aktif yang dipermudahkan dalam Rajah 1, di mana iN dan ZN masing-masing menandakan sumber arus dan impedans litar setara Norton untuk bunyi mod pembezaan DC/DC pengatur.
Penapis EMI aktif yang dikonfigurasikan dengan deria voltan dan pembatalan arus (VSCC) dalam Rajah 1b menggunakan litar penguat kendalian (op-amp) sebagai pengganda kapasitif untuk menggantikan penapis kapasitor (CF) dalam reka bentuk pasif. Impedansi penapis aktif, suntikan dan kompensasi seperti yang ditunjukkan menggunakan nilai kapasitansi yang relatif rendah dengan jejak kaki komponen kecil untuk merancang jangka keuntungan yang dilambangkan sebagai GOP. Kapasitansi aktif berkesan ditetapkan oleh keuntungan litar op-amp dan kapasitor suntikan (CNJI).
Rajah 1 merangkumi ungkapan untuk frekuensi pemotongan penapis yang berkesan. GOP yang berkesan membolehkan reka bentuk aktif dengan pengurangan Peraruh dan nilai kapasitor dan frekuensi pemotongan yang setara dengan pelaksanaan pasif.
Peningkatan prestasi penapisan
Rajah 2 membandingkan reka bentuk penapis EMI pasif dan aktif berdasarkan ujian EMI yang dijalankan untuk memenuhi piawaian Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 25 Kelas 5 menggunakan pengesan puncak dan purata. Setiap reka bentuk menggunakan peringkat kuasa berdasarkan pengawal DC/DC segerak LM25149-Q1, memberikan output 5 V dan 6 A daripada input bateri automotif 13.5 V. Kekerapan pensuisan ialah 440 kHz.
Penjimatan ruang PCB
Gambar 4 menawarkan perbandingan susun atur papan litar bercetak (PCB) tahap penapis pasif dan aktif yang memberikan hasil dalam Rajah 2. Jejak induktor berkurang dari 5 mm hingga 5 mm hingga 4 mm dengan 4 mm. Di samping itu, dua 1210 kapasitor yang turun secara signifikan dengan voltan terpakai digantikan oleh beberapa komponen kecil 0402 bernilai stabil untuk penginderaan, suntikan dan pampasan AEF. Penyelesaian penapis ini mengurangkan jejak hampir 50%, sementara isipadu menurun lebih dari 75%.
Kelebihan komponen pasif
Seperti yang saya nyatakan, nilai induktansi penapis yang lebih rendah untuk AEF mengurangkan jejak dan kos berbanding dengan induktor dalam reka bentuk penapis pasif. Lebih-lebih lagi, induktor yang lebih kecil secara fizikal biasanya mempunyai geometri belitan dengan kapasitansi belitan parasit yang lebih rendah dan frekuensi resonan diri yang lebih tinggi, yang membawa kepada prestasi penapisan yang lebih baik dalam julat frekuensi yang dijalankan lebih tinggi untuk CISPR 25: 30 MHz hingga 108 MHz.
Sebilangan reka bentuk automotif memerlukan dua kapasitor input yang disambungkan secara bersiri untuk ketahanan keselamatan yang gagal apabila disambungkan terus ke rel bekalan bateri. Akibatnya, litar aktif dapat menyokong penjimatan ruang tambahan, kerana kapasitor penginderaan dan suntikan 0402/0603 kecil bersambung secara bersiri untuk menggantikan beberapa 1210 kapasitor. Kapasitor yang lebih kecil mempermudah pemerolehan komponen kerana komponen sudah tersedia dan tidak dibatasi bekalan.
Kesimpulan
Di tengah-tengah tumpuan berterusan pada EMI, terutamanya dalam aplikasi automotif, penapis aktif menggunakan deria voltan dan suntikan arus membolehkan tandatangan EMI yang rendah dan akhirnya membawa kepada pengurangan jejak dan volum, serta kos penyelesaian yang lebih baik. Penyepaduan litar AEF dengan pengawal buck segerak membantu menyelesaikan pertukaran antara EMI rendah dan ketumpatan kuasa tinggi dalam Pengatur DC/DC permohonan.