Инженеры-проектировщики, работающие над приложениями с низким уровнем электромагнитных помех (EMI), обычно сталкиваются с двумя основными проблемами: необходимостью уменьшить EMI своих проектов, а также уменьшить размер решения. Внешняя пассивная фильтрация для уменьшения наведенных электромагнитных помех, генерируемых импульсным источником питания, обеспечивает соответствие стандартам наведенных электромагнитных помех, но этот метод может противоречить необходимости увеличения плотности мощности конструкций с низким уровнем электромагнитных помех, особенно с учетом неблагоприятных последствий более высоких уровней электромагнитных помех. скорость переключения на общую сигнатуру EMI. Эти пассивные фильтры имеют тенденцию быть громоздкими и могут занимать до 30% от общего объема энергетического раствора. Следовательно, минимизация объема фильтра электромагнитных помех при одновременном увеличении плотности мощности остается приоритетом для разработчиков системы.
Активная фильтрация электромагнитных помех (AEF) technology, относительно новый подход к фильтрации электромагнитных помех, который ослабляет электромагнитные помехи и позволяет инженерам добиться значительного уменьшения размера и стоимости пассивного фильтра, а также улучшения характеристик электромагнитных помех. Чтобы проиллюстрировать ключевые преимущества, которые AEF может предложить с точки зрения производительности по электромагнитным помехам и экономии места, в этой технической статье я рассмотрю результаты разработки автомобильного синхронного понижающего контроллера со встроенной функциональностью AEF.
EMI фильтрация
Пассивная фильтрация снижает кондуктивные выбросы силовой электроники. схема за счет использования катушек индуктивности и конденсаторов для создания рассогласования импеданса на пути тока электромагнитных помех. Напротив, активная фильтрация улавливает напряжение на входной шине и производит ток противоположной фазы, который напрямую компенсируется током EMI, генерируемым каскадом переключения.
В этом контексте взгляните на упрощенные схемы пассивного и активного фильтров на рисунке 1, где iN и ZN соответственно обозначают источник тока и полное сопротивление нортоновской эквивалентной схемы для дифференциального шума постоянного/постоянного тока. регулятор.
Активный фильтр электромагнитных помех, сконфигурированный с функцией измерения напряжения и подавления тока (VSCC), показанный на рисунке 1b, использует схему операционного усилителя (ОУ) в качестве емкостного умножителя для замены фильтра. конденсатор (CF) в пассивном дизайне. Показанные на рисунке импедансы считывания, инжекции и компенсации активного фильтра используют относительно низкие значения емкости с небольшими размерами компонентов, чтобы разработать коэффициент усиления, обозначенный как GOP. Эффективная активная емкость устанавливается коэффициентом усиления схемы операционного усилителя и инжекционным конденсатором (CINJ).
На рис. 1 приведены выражения для эффективных частот среза фильтра. Эффективная GOP обеспечивает активный дизайн с уменьшенным Индуктор и номиналы конденсаторов и частота среза, эквивалентные пассивной реализации.
Улучшенная производительность фильтрации
На рис. 2 сравниваются конструкции пассивных и активных фильтров электромагнитных помех, основанные на проведенных испытаниях электромагнитных помех на соответствие стандарту Международного специального комитета по радиоэлектрическим возмущениям (CISPR) 25 класса 5 с использованием детекторов пиковых и средних значений. В каждой конструкции используется силовой каскад на базе синхронного понижающего DC/DC-контроллера LM25149-Q1, обеспечивающий выходное напряжение 5 В и 6 А от входного напряжения автомобильного аккумулятора 13.5 В. Частота переключения составляет 440 кГц.
Экономия места на печатной плате
На Рисунке 4 показано сравнение компоновки печатной платы (ПП) пассивного и активного каскадов фильтров, результаты которого представлены на Рисунке 2. Площадь основания катушки индуктивности уменьшается с 5 мм на 5 мм до 4 мм на 4 мм. Кроме того, два конденсатора 1210, которые значительно уменьшаются при подаче напряжения, заменяются несколькими небольшими компонентами 0402 со стабильным значением для измерения, ввода и компенсации AEF. Этот фильтр уменьшает занимаемую площадь почти на 50%, а объем уменьшается более чем на 75%.
Преимущества пассивных компонентов
Как я уже упоминал, более низкое значение индуктивности фильтра для AEF снижает занимаемую площадь и стоимость по сравнению с катушкой индуктивности в конструкции пассивного фильтра. Кроме того, физически меньшая катушка индуктивности обычно имеет геометрию обмотки с более низкой паразитной емкостью обмотки и более высокой собственной резонансной частотой, что приводит к лучшим характеристикам фильтрации в более высоком диапазоне проводимых частот для CISPR 25: от 30 МГц до 108 МГц.
Некоторые автомобильные конструкции требуют двух последовательно соединенных входных конденсаторов для обеспечения отказоустойчивости при подключении непосредственно через шину питания аккумуляторной батареи. В результате активная схема может поддерживать дополнительную экономию места, поскольку небольшие конденсаторы 0402/0603 для измерения и инжекции подключаются последовательно для замены нескольких конденсаторов 1210. Конденсаторы меньшего размера упрощают закупку компонентов, поскольку компоненты легко доступны и не ограничены в поставках.
Заключение
В условиях постоянного внимания к электромагнитным помехам, особенно в автомобильной промышленности, активный фильтр, использующий датчик напряжения и подачу тока, обеспечивает низкую сигнатуру электромагнитных помех и в конечном итоге приводит к уменьшению занимаемой площади и объема, а также к снижению стоимости решения. Интеграция схемы AEF с синхронным понижающим контроллером помогает найти компромисс между низким уровнем электромагнитных помех и высокой плотностью мощности в Регулятор постоянного/постоянного тока приложений.