วิศวกรออกแบบที่ทำงานเกี่ยวกับแอพพลิเคชั่นสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าต่ำ (EMI) มักเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญสองประการ ได้แก่ ความจำเป็นในการลด EMI ของการออกแบบขณะเดียวกันก็ลดขนาดโซลูชันด้วย การกรองแบบพาสซีฟฟรอนต์เอนด์เพื่อลด EMI ที่ดำเนินการโดยแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งทำให้มั่นใจได้ว่าสอดคล้องกับมาตรฐาน EMI ที่ดำเนินการ แต่วิธีนี้อาจขัดแย้งกับความจำเป็นในการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานของการออกแบบ EMI ต่ำโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อได้รับผลกระทบที่สูงขึ้น ความเร็วในการเปลี่ยนลายเซ็น EMI โดยรวม ตัวกรองแบบพาสซีฟเหล่านี้มักจะมีขนาดใหญ่และสามารถใช้พลังงานได้มากถึง 30% ของปริมาตรทั้งหมดของโซลูชันกำลัง ดังนั้นการลดระดับเสียงของฟิลเตอร์ EMI ให้น้อยที่สุดในขณะที่การเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานยังคงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับผู้ออกแบบระบบ
การกรอง EMI ที่ใช้งานอยู่ (AEF) เทคโนโลยีซึ่งเป็นแนวทางใหม่ในการกรอง EMI ช่วยลด EMI และช่วยให้วิศวกรสามารถลดขนาดและต้นทุนตัวกรองแบบพาสซีฟลงได้อย่างมาก พร้อมด้วยประสิทธิภาพของ EMI ที่ได้รับการปรับปรุง เพื่อแสดงให้เห็นประโยชน์หลักที่ AEF สามารถมอบให้ได้ในแง่ของประสิทธิภาพ EMI และการประหยัดพื้นที่ ในบทความทางเทคนิคนี้ ผมจะตรวจสอบผลลัพธ์จากการออกแบบตัวควบคุมบั๊กซิงโครนัสในยานยนต์ที่มีฟังก์ชัน AEF ในตัว
การกรอง EMI
การกรองแบบพาสซีฟช่วยลดการปล่อยก๊าซอิเล็กทรอนิกส์กำลัง วงจรไฟฟ้า โดยใช้ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเพื่อสร้างความต้านทานที่ไม่ตรงกันในเส้นทางปัจจุบันของ EMI ในทางตรงกันข้ามการกรองที่ใช้งานอยู่จะรับรู้ถึง แรงดันไฟฟ้า ที่บัสอินพุตและสร้างกระแสของเฟสตรงกันข้ามซึ่งจะยกเลิกโดยตรงกับกระแส EMI ที่สร้างโดยขั้นตอนการสลับ
ภายในบริบทนี้ให้ดูที่วงจรตัวกรองแบบพาสซีฟและแอคทีฟแบบง่ายในรูปที่ 1 โดยที่ iN และ ZN ตามลำดับแสดงถึงแหล่งกำเนิดกระแสและอิมพีแดนซ์ของวงจรเทียบเท่า Norton สำหรับสัญญาณรบกวนในโหมดดิฟเฟอเรนเชียลของ DC/DC เครื่องควบคุม.
ตัวกรอง EMI ที่ใช้งานอยู่ซึ่งกำหนดค่าด้วยการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าและการยกเลิกกระแส (VSCC) ในรูปที่ 1b ใช้วงจรขยายการดำเนินงาน (op-amp) เป็นตัวคูณ capacitive เพื่อแทนที่ตัวกรอง capacitor (CF) ในการออกแบบแบบพาสซีฟ อิมพีแดนซ์การตรวจจับการฉีดและการชดเชยของตัวกรองที่ใช้งานอยู่ดังที่แสดงใช้ค่าความจุที่ค่อนข้างต่ำโดยมีรอยเท้าของส่วนประกอบขนาดเล็กเพื่อออกแบบระยะขยายที่แสดงเป็น GOP. ความจุแอคทีฟที่มีประสิทธิภาพถูกกำหนดโดยกำไรของวงจร op-amp และตัวเก็บประจุแบบฉีด (Cไอ.เอ็น.เจ).
รูปที่ 1 ประกอบด้วยนิพจน์สำหรับความถี่คัตออฟฟิลเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ GOP ที่มีประสิทธิภาพช่วยให้การออกแบบที่ใช้งานได้ลดลง Inductor และค่าตัวเก็บประจุและความถี่คัตออฟเทียบเท่ากับการใช้งานแบบพาสซีฟ
ปรับปรุงประสิทธิภาพการกรอง
รูปที่ 2 เปรียบเทียบการออกแบบตัวกรอง EMI แบบพาสซีฟและแบบแอคทีฟตามการทดสอบ EMI ที่ดำเนินการเพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐาน Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 25 Class 5 โดยใช้เครื่องตรวจจับระดับสูงสุดและค่าเฉลี่ย การออกแบบแต่ละชิ้นใช้สเตจกำลังตามตัวควบคุมบั๊กซิงโครนัส DC/DC LM25149-Q1 โดยให้เอาต์พุต 5 V และ 6 A จากอินพุตแบตเตอรี่รถยนต์ 13.5 V ความถี่ในการสลับคือ 440 kHz
ประหยัดพื้นที่ PCB
รูปที่ 4 นำเสนอการเปรียบเทียบโครงร่างของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ของขั้นตอนการกรองแบบพาสซีฟและแอคทีฟที่ให้ผลลัพธ์ในรูปที่ 2 รอยของตัวเหนี่ยวนำลดลงจาก 5 มม. 5 มม. เป็น 4 มม. คูณ 4 มม. นอกจากนี้ตัวเก็บประจุ 1210 สองตัวที่ลดแรงดันไฟฟ้าลงอย่างมากจะถูกแทนที่ด้วยส่วนประกอบ 0402 ขนาดเล็กที่มีค่าคงที่หลายตัวสำหรับการตรวจจับการฉีดและการชดเชย AEF โซลูชันตัวกรองนี้ลดรอยเท้าลงเกือบ 50% ในขณะที่ปริมาณลดลงกว่า 75%
ข้อดีของส่วนประกอบแบบพาสซีฟ
ดังที่ฉันได้กล่าวไปค่าตัวเหนี่ยวนำตัวกรองที่ต่ำกว่าสำหรับ AEF จะช่วยลดรอยเท้าและต้นทุนเมื่อเทียบกับตัวเหนี่ยวนำในการออกแบบตัวกรองแบบพาสซีฟ ยิ่งไปกว่านั้นตัวเหนี่ยวนำที่มีขนาดเล็กกว่าโดยทั่วไปจะมีรูปทรงเรขาคณิตที่คดเคี้ยวโดยมีความจุในการคดเคี้ยวของกาฝากที่ต่ำกว่าและความถี่เรโซแนนซ์ที่สูงขึ้นซึ่งนำไปสู่ประสิทธิภาพการกรองที่ดีขึ้นในช่วงความถี่ที่ดำเนินการสูงขึ้นสำหรับ CISPR 25: 30 MHz ถึง 108 MHz
การออกแบบยานยนต์บางอย่างต้องใช้ตัวเก็บประจุอินพุตสองตัวที่เชื่อมต่อเป็นชุดเพื่อความทนทานที่ไม่ปลอดภัยเมื่อเชื่อมต่อโดยตรงกับรางจ่ายแบตเตอรี่ เป็นผลให้วงจรแอคทีฟสามารถรองรับการประหยัดพื้นที่เพิ่มเติมได้เนื่องจากตัวเก็บประจุแบบตรวจจับและการฉีด 0402/0603 ขนาดเล็กเชื่อมต่อเป็นอนุกรมเพื่อแทนที่ตัวเก็บประจุ 1210 หลายตัว ตัวเก็บประจุขนาดเล็กช่วยลดความยุ่งยากในการจัดหาชิ้นส่วนเนื่องจากมีส่วนประกอบที่พร้อมใช้งานและไม่มีข้อ จำกัด ด้านอุปทาน
สรุป
ท่ามกลางการมุ่งเน้นไปที่ EMI อย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานด้านยานยนต์ ตัวกรองแบบแอคทีฟที่ใช้การรับรู้แรงดันไฟฟ้าและการฉีดกระแสไฟฟ้าช่วยให้ลายเซ็น EMI ต่ำ และนำไปสู่การลดขนาดและปริมาตรในท้ายที่สุด เช่นเดียวกับต้นทุนโซลูชันที่ดีขึ้น การรวมวงจร AEF เข้ากับตัวควบคุมบั๊กแบบซิงโครนัสช่วยแก้ไขการแลกเปลี่ยนระหว่าง EMI ต่ำและความหนาแน่นของพลังงานสูงใน ตัวควบคุม DC/DC การใช้งาน