獨(dú)立式有源 EMI 濾波器 IC 如何縮小共模濾波器尺寸
2023-04-04 09:06:04 德州儀器功率密度是汽車車載充電器和服務(wù)器電源等高度受限系統(tǒng)環(huán)境中的主要指標(biāo)。務(wù)必要減小電磁干擾 (EMI) 濾波器元件的體積，從而確保解決方案能夠滿足嚴(yán)苛的外形尺寸要求。
鑒于接觸電流安全要求，用于上述和其他高密度應(yīng)用的共模 (CM) 濾波器通常會限制總 Y 電容大小，因此需要大尺寸共模扼流圈來實現(xiàn)目標(biāo)轉(zhuǎn)角頻率或濾波器衰減特性。這導(dǎo)致了權(quán)衡后的無源濾波器設(shè)計采用笨重且昂貴的共模扼流圈，尺寸相當(dāng)于整個濾波器大小。
隨著無源器件逐漸跟不上高速功率半導(dǎo)體器件以及電路拓?fù)涞陌l(fā)展，無源濾波器的體積是提高功率密度的限制因素之一。實際的濾波器實現(xiàn)會占用電源解決方案總體積的 30%（如圖 1 所示）。
圖 1：3.3kW 圖騰柱功率因數(shù)校正參考設(shè)計中的傳統(tǒng)單相無源 EMI 濾波器
有源 EMI 濾波器 (AEF) 電路可為新一代電源管理系統(tǒng)實現(xiàn)更緊湊的濾波器解決方案。空間受限型應(yīng)用可使用有源電源濾波器集成電路 (IC) 減小磁性元件的尺寸和濾波器的總尺寸。AEF 的其他優(yōu)勢包括：通過降低元件功率損耗來改善熱管理并提高可靠性、減少受限空間內(nèi)元件之間的耦合、簡化機(jī)械和封裝設(shè)計以及降低成本。
圖 2 和圖 3 分別為單相和三相濾波器電路的原理圖，均采用有源解決方案代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無源設(shè)計。單相 TPSF12C1-Q1 和三相 TPSF12C3-Q1 AEF IC 位于共模扼流圈之間，為共模電流提供了具有較低阻抗的分流路徑。如圖所示，有源解決方案中共模扼流圈 LCM1 和 LCM2 的電感比無源濾波器中共模扼流圈的電感低很多。
圖 2：單相無源 EMI 濾波器（頂部）和具有更低共模扼流圈電感的相應(yīng) AEF 電路（底部）
圖 3：三相無源 EMI 濾波器（頂部）和具有更低共模扼流圈電感的相應(yīng) AEF 電路（底部）
AEF
在交流線路中連接檢測和注入 Y 電容器后，該電路旨在減小濾波器的總體積，同時保持向機(jī)箱地導(dǎo)入低的工頻漏電流。這可以通過使用有源電路來實現(xiàn)，有源電路可以調(diào)節(jié)注入電容器的頻率響應(yīng)，即通過實際增加容值來實現(xiàn)高頻率。繼而，在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)用于降低 EMI 而增加的注入電容會降低共模扼流圈電感，使其低于具有類似衰減作用的無源濾波器的電感值。
使用 AEF 的電路優(yōu)勢如下：
· 具有簡化的濾波器結(jié)構(gòu)、寬工作頻率范圍以及高穩(wěn)定性裕度（使用共模 AEF 快速入門計算器工具進(jìn)行計算）。
· 具有更小的共模扼流圈尺寸，體積更小、重量更輕、成本更低。此外，還能減少扼流圈自寄生效應(yīng)，從而更大程度降低銅損并實現(xiàn)更出色的高頻衰減性能。
· 無需額外的磁性元件。AEF 電路僅使用檢測和注入 Y 電容器，在故障狀況期間對峰值接觸電流沒有影響。
· 使用以機(jī)箱地為基準(zhǔn)的低壓 AEF IC 可增強(qiáng)安全性。
· 獨(dú)立式 IC 實現(xiàn)可靠近濾波器元件靈活放置。
· 線電壓浪涌抗擾度有助于滿足國際電工委員會 61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)。
圖 2 和圖 3 中放置于兩個共模扼流圈之間的 X 電容器在電源線之間提供了一個低共模阻抗路徑，通常可達(dá)到低兆赫茲頻率。這樣，僅使用一個注入電容器，便可將電流注入到一根電源線，通常是中性線。如果三相濾波器是沒有中性線的三線系統(tǒng)，則將 TPSF12C3-Q1 的 SENSE4 引腳接地，并將注入電容器通過 X 電容器的星型連接進(jìn)行耦合。
AEF 的實際實現(xiàn)
圖 4 展示了適用于圖 1 中轉(zhuǎn)換器的 AEF 實際實現(xiàn)方法。使用 TPSF12C1-Q1 單相 AEF IC 實現(xiàn)共模噪聲衰減。
圖 4：使用 AEF（額定電流為 10A）的單相濾波器評估板
圖 5 展示了禁用和啟用 AEF 時得到的 EMI 結(jié)果。
AEF 禁用 AEF 啟用
圖 5：禁用和啟用 AEF 時的 EN 55032 B 類 EMI 結(jié)果
從圖 5 中可以明顯看出，AEF 在低頻率范圍（100kHz 至 3MHz）內(nèi)提供高達(dá) 30dB 的共模噪聲衰減，因此，使用兩個 2mH 納米晶扼流圈的濾波器可實現(xiàn)與使用兩個 12mH 扼流圈的無源濾波器設(shè)計相同的共模衰減性能。為進(jìn)行公平比較，這些扼流圈均來自同一元件系列（由 Würth Elektronik 制造），并使用類似的磁芯材料。表 1 匯總了無源和有源設(shè)計適用的共模扼流圈參數(shù)，圖 6 重點展示了體積、尺寸、重量和成本節(jié)約值。
濾波器 設(shè)計 | 共模扼流圈 器件型號 | 數(shù)量 | LCM1, LCM2 (mH) | RDCR (mΩ) | 尺寸 (長×寬×高, 毫米) | 總質(zhì)量 (g) | 總功率損耗 (W) (10A, 25°C) |
無源 | 7448051012 | 2 | 12 | 15 | 23 × 34 × 33 | 72 | 6.0 |
有源 | 7448031002 | 2 | 2 | 6 | 17 × 23 × 25 | 20 | 2.4 |
表 1：無源和有源濾波器解決方案的共模扼流圈參數(shù)
(a) (b)
圖 6：通過使用 AEF 減小尺寸、體積、重量和成本 (a)；扼流圈大小比較 (b)
本例中的 AEF 在 10A 電流下可減少 60% 的總銅損（忽略繞組電阻隨溫度升高而增加），這可以降低元件工作溫度并提高可靠性。
結(jié)語
要為高密度開關(guān)穩(wěn)壓器中的 EMI 濾波器級實現(xiàn)高效緊湊的設(shè)計具有挑戰(zhàn)性，對于優(yōu)先考慮解決方案尺寸和成本的汽車和工業(yè)應(yīng)用來說，尤其如此。有源濾波器解決方案可以抑制測得的共模噪聲，其實際效果表明，與同等的純無源濾波器設(shè)計相比，有源濾波器解決方案可以顯著減小共模扼流圈元件的體積。
其他資源
· 觀看有關(guān)有源 EMI 濾波的視頻。
· 敬請查看以下白皮書：
o “有源 EMI 電源濾波器 IC 如何在單相和三相電源系統(tǒng)中減輕共模發(fā)射并提高功率密度”。
· 有關(guān)圖 1 中示例（傳統(tǒng)濾波器設(shè)計）的更多詳細(xì)信息，請參閱高效率 GaN CCM 圖騰柱無橋功率因數(shù)校正 (PFC) 參考設(shè)計。
關(guān)于德州儀器（TI）
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