Os engenheiros de projeto que trabalham em aplicações de baixa interferência eletromagnética (EMI) normalmente enfrentam dois desafios principais: a necessidade de reduzir a EMI de seus projetos e, ao mesmo tempo, diminuir o tamanho da solução. A filtragem passiva de front-end para mitigar a EMI conduzida gerada pela fonte de alimentação de comutação garante a conformidade com os padrões de EMI conduzida, mas este método pode estar em conflito com a necessidade de aumentar a densidade de potência de projetos de baixo EMI, especialmente dados os efeitos adversos de maior velocidades de comutação na assinatura EMI geral. Esses filtros passivos tendem a ser volumosos e podem ocupar até 30% do volume total da solução de energia. Portanto, minimizar o volume do filtro EMI enquanto aumenta a densidade de potência continua sendo uma prioridade para os projetistas de sistemas.
Filtragem EMI ativa (AEF) tecnologia, uma abordagem relativamente nova para filtragem de EMI, atenua a EMI e permite que os engenheiros obtenham uma redução significativa no tamanho e custo do filtro passivo, juntamente com melhor desempenho de EMI. Para ilustrar os principais benefícios que o AEF pode oferecer em termos de desempenho EMI e economia de espaço, neste artigo técnico analisarei os resultados de um projeto de controlador Buck síncrono automotivo com funcionalidade AEF integrada.
Filtragem EMI
A filtragem passiva reduz as emissões conduzidas de um sistema eletrônico de potência o circuito usando indutores e capacitores para criar uma diferença de impedância no caminho da corrente EMI. Em contraste, a filtragem ativa detecta o Voltagem no barramento de entrada e produz uma corrente de fase oposta que cancela diretamente com a corrente EMI gerada por um estágio de chaveamento.
Dentro deste contexto, dê uma olhada nos circuitos de filtro passivos e ativos simplificados na Figura 1, onde iN e ZN denotam respectivamente a fonte de corrente e a impedância do circuito equivalente a Norton para ruído de modo diferencial de um DC / DC regulador.
O filtro EMI ativo configurado com detecção de tensão e cancelamento de corrente (VSCC) na Figura 1b usa um circuito amplificador operacional (amplificador operacional) como um multiplicador capacitivo para substituir o filtro capacitor (CF) no design passivo. As impedâncias de detecção, injeção e compensação do filtro ativo, conforme mostrado, usam valores de capacitância relativamente baixos com pegadas de componentes pequenos para projetar um termo de ganho denotado como GOP. A capacitância ativa efetiva é definida pelo ganho do circuito do amplificador operacional e um capacitor de injeção (CNJI).
A Figura 1 inclui expressões para as frequências de corte efetivas do filtro. O GOP eficaz permite um design ativo com reduzido Indutor e valores de capacitor e uma frequência de corte equivalente à da implementação passiva.
Melhor desempenho de filtragem
A Figura 2 compara projetos de filtros EMI passivos e ativos com base em testes EMI realizados para atender ao padrão Classe 25 do Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 5 usando detectores de pico e média. Cada projeto usa um estágio de energia baseado no controlador DC/DC síncrono Buck LM25149-Q1, fornecendo uma saída de 5 V e 6 A de uma entrada de bateria automotiva de 13.5 V. A frequência de comutação é de 440 kHz.
Economia de espaço PCB
A Figura 4 oferece uma comparação do layout da placa de circuito impresso (PCB) dos estágios do filtro passivo e ativo que forneceu os resultados da Figura 2. A pegada do indutor reduz de 5 mm por 5 mm para 4 mm por 4 mm. Além disso, dois capacitores 1210 que diminuem significativamente com a tensão aplicada são substituídos por vários componentes 0402 pequenos e de valor estável para detecção, injeção e compensação AEF. Esta solução de filtro diminui a pegada em quase 50%, enquanto o volume diminui em mais de 75%.
Vantagens do componente passivo
Como mencionei, o valor de indutância de filtro mais baixo para AEF reduz a pegada e o custo em comparação com o indutor em um design de filtro passivo. Além disso, um indutor fisicamente menor normalmente tem uma geometria de enrolamento com uma capacitância de enrolamento parasita mais baixa e uma frequência auto-ressonante mais alta, levando a um melhor desempenho de filtragem na faixa de frequência conduzida mais alta para CISPR 25: 30 MHz a 108 MHz.
Alguns projetos automotivos requerem dois capacitores de entrada conectados em série para robustez à prova de falhas quando conectados diretamente através do trilho de alimentação da bateria. Como resultado, o circuito ativo pode suportar economia de espaço adicional, pois pequenos capacitores 0402/0603 de detecção e injeção se conectam em série para substituir vários capacitores 1210. Os capacitores menores simplificam a aquisição de componentes, pois os componentes estão prontamente disponíveis e não têm restrições de fornecimento.
Conclusão
Em meio a um foco contínuo em EMI, especialmente em aplicações automotivas, um filtro ativo que usa detecção de tensão e injeção de corrente permite uma assinatura EMI baixa e, em última análise, leva a uma área ocupada e volume reduzidos, bem como a um custo de solução melhorado. A integração de um circuito AEF com um controlador Buck síncrono ajuda a resolver as compensações entre baixo EMI e alta densidade de potência em Regulador CC/CC aplicações.