Các kỹ sư thiết kế làm việc trên các ứng dụng gây nhiễu điện từ thấp (EMI) thường phải đối mặt với hai thách thức lớn: nhu cầu giảm EMI trong thiết kế của họ đồng thời thu nhỏ kích thước giải pháp. Bộ lọc thụ động front-end để giảm thiểu EMI được tạo ra bởi nguồn điện chuyển mạch đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn EMI đã tiến hành, nhưng phương pháp này có thể trái ngược với nhu cầu tăng mật độ công suất của các thiết kế EMI thấp, đặc biệt là với các tác động bất lợi của tốc độ chuyển đổi trên chữ ký EMI tổng thể. Các bộ lọc thụ động này có xu hướng cồng kềnh và có thể chiếm tới 30% tổng khối lượng của giải pháp nguồn. Do đó, giảm thiểu khối lượng của bộ lọc EMI trong khi tăng mật độ điện năng vẫn là ưu tiên của các nhà thiết kế hệ thống.
Lọc EMI hoạt động (AEF) công nghệ, một cách tiếp cận tương đối mới để lọc EMI, làm suy giảm EMI và cho phép các kỹ sư giảm đáng kể kích thước và chi phí của bộ lọc thụ động, cùng với hiệu suất EMI được cải thiện. Để minh họa những lợi ích chính mà AEF có thể mang lại về mặt hiệu suất EMI và tiết kiệm không gian, trong bài viết kỹ thuật này, tôi sẽ xem xét kết quả từ thiết kế bộ điều khiển đồng bộ ô tô có chức năng AEF tích hợp.
Lọc EMI
Lọc thụ động làm giảm lượng khí thải dẫn của điện tử công suất mạch bằng cách sử dụng cuộn cảm và tụ điện để tạo ra sự không phù hợp trở kháng trong đường dẫn dòng điện EMI. Ngược lại, tính năng lọc tích cực cảm nhận Vôn tại bus đầu vào và tạo ra dòng điện có pha ngược lại trực tiếp hủy với dòng điện EMI được tạo ra bởi một giai đoạn chuyển mạch.
Trong bối cảnh này, hãy xem các mạch lọc thụ động và tích cực được đơn giản hóa trong Hình 1, nơi tôiN và ZN lần lượt biểu thị nguồn dòng và trở kháng của mạch tương đương Norton đối với nhiễu chế độ vi sai của DC/DC điều chỉnh.
Bộ lọc EMI hoạt động được cấu hình với cảm biến điện áp và khử dòng điện (VSCC) trong Hình 1b sử dụng mạch khuếch đại hoạt động (op-amp) làm hệ số nhân điện dung để thay thế bộ lọc tụ (CF) trong thiết kế thụ động. Cảm biến bộ lọc tích cực, trở kháng bơm và bù như được hiển thị sử dụng các giá trị điện dung tương đối thấp với dấu chân thành phần nhỏ để thiết kế thuật ngữ khuếch đại được ký hiệu là GOP. Điện dung hoạt động hiệu dụng được đặt bằng độ lợi mạch op-amp và tụ điện tiêm (CNJI).
Hình 1 bao gồm các biểu thức cho các tần số cắt bộ lọc hiệu quả. GOP hiệu quả cho phép một thiết kế hoạt động với giảm thiểu Cuộn cảm và các giá trị của tụ điện và tần số cắt tương đương với tần số cắt của quá trình thụ động.
Cải thiện hiệu suất lọc
Hình 2 so sánh các thiết kế bộ lọc EMI thụ động và chủ động dựa trên các thử nghiệm EMI đã tiến hành để đáp ứng tiêu chuẩn Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 25 Loại 5 sử dụng bộ dò đỉnh và trung bình. Mỗi thiết kế sử dụng một cấp nguồn dựa trên bộ điều khiển DC/DC đồng bộ LM25149-Q1, cung cấp đầu ra 5 V và 6 A từ đầu vào ắc quy ô tô là 13.5 V. Tần số chuyển mạch là 440 kHz.
Tiết kiệm không gian PCB
Hình 4 cung cấp một so sánh bố trí bảng mạch in (PCB) của các giai đoạn lọc thụ động và tích cực cung cấp kết quả trong Hình 2. Dấu chân cuộn cảm giảm từ 5 mm x 5 mm xuống 4 mm x 4 mm. Ngoài ra, hai tụ điện 1210 giảm đáng kể điện áp đặt vào được thay thế bằng một số thành phần 0402 nhỏ, có giá trị ổn định để cảm biến AEF, tiêm và bù. Giải pháp bộ lọc này làm giảm dấu chân gần 50%, trong khi khối lượng giảm hơn 75%.
Lợi thế của thành phần thụ động
Như tôi đã đề cập, giá trị điện cảm của bộ lọc thấp hơn cho AEF làm giảm dấu chân và chi phí so với cuộn cảm trong thiết kế bộ lọc thụ động. Hơn nữa, một cuộn cảm vật lý nhỏ hơn thường có hình dạng cuộn dây với điện dung cuộn ký sinh thấp hơn và tần số tự cộng hưởng cao hơn, dẫn đến hiệu suất lọc tốt hơn trong dải tần số dẫn cao hơn cho CISPR 25: 30 MHz đến 108 MHz.
Một số thiết kế ô tô yêu cầu hai tụ điện đầu vào được kết nối nối tiếp để đảm bảo độ chắc chắn an toàn khi được kết nối trực tiếp qua đường ray cung cấp pin. Do đó, mạch hoạt động có thể hỗ trợ tiết kiệm không gian bổ sung, vì các tụ điện cảm biến và phun nhỏ 0402/0603 kết nối nối tiếp để thay thế nhiều tụ điện 1210. Các tụ điện nhỏ hơn giúp đơn giản hóa việc mua sắm linh kiện vì các linh kiện luôn có sẵn và không bị hạn chế về nguồn cung cấp.
Kết luận
Trong bối cảnh liên tục tập trung vào EMI, đặc biệt là trong các ứng dụng ô tô, bộ lọc hoạt động sử dụng cảm biến điện áp và tiêm dòng điện cho phép ký hiệu EMI thấp và cuối cùng dẫn đến giảm dấu chân và khối lượng cũng như chi phí giải pháp được cải thiện. Việc tích hợp mạch AEF với bộ điều khiển Buck đồng bộ giúp giải quyết sự cân bằng giữa EMI thấp và mật độ năng lượng cao trong Bộ điều chỉnh DC/DC các ứng dụng.