Ontwerpingenieurs die werken aan toepassingen met weinig elektromagnetische interferentie (EMI) worden doorgaans geconfronteerd met twee grote uitdagingen: de noodzaak om de EMI van hun ontwerpen te verminderen en tegelijkertijd de oplossingsgrootte te verkleinen. Front-end passieve filtering om geleide EMI te verminderen die wordt gegenereerd door de schakelende voeding zorgt voor naleving van de uitgevoerde EMI-normen, maar deze methode kan op gespannen voet staan met de noodzaak om de vermogensdichtheid van lage EMI-ontwerpen te verhogen, vooral gezien de nadelige effecten van hogere schakelsnelheden op de algehele EMI-handtekening. Deze passieve filters zijn vaak omvangrijk en kunnen wel 30% van het totale volume van de stroomoplossing innemen. Daarom blijft het minimaliseren van het volume van het EMI-filter en het verhogen van de vermogensdichtheid een prioriteit voor systeemontwerpers.
Actieve EMI-filtering (AEF) technologie, een relatief nieuwe benadering van EMI-filtering, verzwakt EMI en stelt ingenieurs in staat een aanzienlijke vermindering van de passieve filtergrootte en -kosten te bereiken, samen met verbeterde EMI-prestaties. Om de belangrijkste voordelen te illustreren die AEF kan bieden op het gebied van EMI-prestaties en ruimtebesparing, zal ik in dit technische artikel de resultaten bekijken van een synchrone buck-controllerontwerp voor auto's met geïntegreerde AEF-functionaliteit.
EMI-filtering
Passieve filtering vermindert de geleide emissies van een vermogenselektronica circuit door inductoren en condensatoren te gebruiken om een impedantie-mismatch in het EMI-stroompad te creëren. Daarentegen detecteert actieve filtering de spanning op de ingangsbus en produceert een stroom van tegengestelde fase die direct wordt opgeheven met de EMI-stroom die wordt gegenereerd door een schakeltrap.
Bekijk in deze context de vereenvoudigde passieve en actieve filtercircuits in figuur 1, waar iN en ZN geven respectievelijk de huidige bron en impedantie aan van het Norton-equivalente circuit voor differentiële modusruis van een DC / DC regelaar.
Het actieve EMI-filter geconfigureerd met spanningsdetectie en stroomonderdrukking (VSCC) in figuur 1b gebruikt een operationeel versterkercircuit (op-amp) als capacitieve vermenigvuldiger om het filter te vervangen condensator (CF) in het passieve ontwerp. De actieve filterdetectie-, injectie- en compensatie-impedanties zoals weergegeven, gebruiken relatief lage capaciteitswaarden met kleine voetafdrukken van componenten om een versterkingsterm te ontwerpen die wordt aangeduid als GOP. De effectieve actieve capaciteit wordt bepaald door de versterking van de opamp-schakeling en een injectiecondensator (C.NJI).
Figuur 1 bevat uitdrukkingen voor de effectieve filterafsnijfrequenties. De effectieve GOP maakt een actief ontwerp mogelijk met verminderde Inductor en condensatorwaarden en een afsnijfrequentie equivalent aan die van de passieve implementatie.
Verbeterde filterprestaties
Figuur 2 vergelijkt passieve en actieve EMI-filterontwerpen op basis van uitgevoerde EMI-tests om te voldoen aan de 25 Klasse 5-norm van het Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) met behulp van piek- en gemiddelde detectoren. Elk ontwerp maakt gebruik van een vermogenstrap gebaseerd op de LM25149-Q1 synchrone buck DC/DC-controller, die een uitgangssignaal levert van 5 V en 6 A vanuit een auto-accu-ingang van 13.5 V. De schakelfrequentie is 440 kHz.
PCB-ruimtebesparing
Figuur 4 biedt een layoutvergelijking van een printplaat (PCB) van de passieve en actieve filtertrappen die de resultaten opleverden in Figuur 2. De voetafdruk van de inductor verkleint van 5 mm bij 5 mm tot 4 mm bij 4 mm. Bovendien worden twee 1210-condensatoren die aanzienlijk afnemen bij aangelegde spanning, vervangen door verschillende kleine, stabiele 0402-componenten voor AEF-detectie, injectie en compensatie. Deze filteroplossing verkleint de footprint met bijna 50%, terwijl het volume met meer dan 75% afneemt.
Passieve componentvoordelen
Zoals ik al zei, vermindert de lagere filterinductantiewaarde voor AEF de voetafdruk en de kosten in vergelijking met de inductor in een passief filterontwerp. Bovendien heeft een fysiek kleinere inductor typisch een wikkelingsgeometrie met een lagere parasitaire wikkelcapaciteit en een hogere zelfresonantiefrequentie, wat leidt tot betere filterprestaties in het hogere geleide frequentiebereik voor CISPR 25:30 MHz tot 108 MHz.
Sommige automobielontwerpen vereisen twee ingangscondensatoren die in serie zijn geschakeld voor een betrouwbare robuustheid wanneer ze rechtstreeks over de batterijvoedingsrail worden aangesloten. Als resultaat kan het actieve circuit extra ruimtebesparing ondersteunen, aangezien kleine 0402/0603 detectie- en injectiecondensatoren in serie worden geschakeld om meerdere 1210 condensatoren te vervangen. De kleinere condensatoren vereenvoudigen de aanschaf van componenten, aangezien de componenten direct beschikbaar zijn en niet beperkt in het aanbod.
Conclusie
Te midden van een voortdurende focus op EMI, vooral in automobieltoepassingen, maakt een actief filter dat gebruik maakt van spanningsdetectie en stroominjectie een lage EMI-signatuur mogelijk en leidt uiteindelijk tot een kleinere voetafdruk en volume, evenals tot lagere oplossingskosten. De integratie van een AEF-circuit met een synchrone buck-controller helpt bij het oplossen van de wisselwerking tussen lage EMI en hoge vermogensdichtheid in DC/DC-regelaar toepassingen.