對有源和無源EMI濾波器的設計對比

工作中的低干擾信號(EMI)使用的設計工程師在進行設計時一般會面臨兩個考驗：如何在減少設計干擾信號的同時，減小方案的體積。前無源濾波可以減少開關電源產生的傳導性EMI，從而保證符合傳導性EMI標準，但是這種方法可能與提高低EMI定制功率的需求相矛盾，特別是考慮到高開關速度對整個EMI信號的不利影響。這類無源濾波器通常體積巨大，可占電源方案總體積的30%。因此，在提高功率的同時，合理縮小EMI過濾器的體積仍然是系統設計者的首要求。

有源EMI過濾理論是一種較新的EMI過濾方法，可以削弱干擾信號，使工程師能夠大大降低無源過濾器的尺寸，控制成本，提高EMI特性。本文將回顧搭載有源EMI過濾器功能的汽車同步降壓控制器設計的結果，以顯示有源EMI過濾器在EMI性能增加和空間節約方面的關鍵優勢。

EMI過濾

無源濾波應用電感和電容器通過EMI電流獲得阻抗失配，從而減少電路的傳輸和發送。相比之下，有源濾波可以感應輸入總線的電壓，產生相反的電流，可以直接抵抗開關級產生的EMI電流。

在此背景下，請查看圖1中簡化的無源和有源濾波器電路，其中iN和ZN顯示了諾頓等效電路的電流源和阻抗，以區分DC/DC穩壓器的差異。

圖1.常規的無源濾波（a）和有源濾波（b）電路安裝啟用

圖1b配有電壓感應和電流清除裝置。(VSCC)有源EMI過濾器應用計算放大器電路作為電容倍增器，而不是無源設計中的濾波電容器。(CF)。如圖所示，用GOP顯示有源濾波器的感應、引入和補償阻抗應用較低的電容值和較小的元件規格來設計增益項。高效有源電容通過計算放大器電路增益并引入電容器(CINJ)設定。

圖1包括合理過濾器截止頻率的關系。高效的GOP可以降低有源定制的電感和電容值，截止頻率等于無源設計。

優化過濾性能

圖2對無源和有源EMI濾波器的設計進行了對比，基于傳輸EMI測試。這種設計應用峰值和均值檢波器可以滿足國際無線電干擾特別委員會的要求。(CISPR)255類標準。根據LM25149-Q1同步降壓DC/DC控制器的功率等級，按照13.5V汽車電池輸入給出圖3所示，開啟和禁用有源EMI濾波器電路后的結論。有源EMI過濾器的中低頻變弱與未過濾或初始噪聲信號相比并不顯著。440kHz基頻重量的峰值EMI水平降低了近50dB，這使得設計者能夠更順利地滿足EMI的嚴格管理。輸出5V和6A。開關頻率為440kHz。

圖2.比較無源濾波器方案（a）和在等效功率級工作條件下有源濾波器設計（b）

圖3所示為啟用和禁用有源EMI 濾波器電路時的結果。與未濾波或原始噪聲信號相比，有源EMI 濾波器的中、低頻減弱情況更不明顯。440kHz 的基頻分量的峰值EMI 水平降低了近50dB，這使設計人員能夠更加輕松地符合EMI 的嚴格要求。

圖2.比較有源EMI濾波器處于禁用（a）和啟用（b）狀態下的濾波性能

節省PCB空間

圖4帶來了無源和有源濾波器級印刷電路板(PCB)布局比較好，結果如圖2所示。電感占用的空間從5mmx5mm縮小到4mmx4mm。另外，兩個1210電容器被幾個值穩定的小型0402設備所取代，適用于有源EMI過濾器的傳感、引入和補償。這種過濾解決方案的面積減少了近50%，而容積減少了75%以上。

圖4.無源（a）和有源（b）濾波器設計的PCB布局尺寸比較

無源裝置的優點

如前所述，與無源過濾器設計中的電感相比，有源EMI過濾器具有較低的過濾器電感值，可以減少占用空間，降低成本。此外，物理規格較小的電感一般具有生存繞阻電容較低、自諧振頻率較高的繞阻幾何結構，然后在CISPR25較高的傳輸工作頻段中提高過濾特性：30MHz升至108MHz。

有些汽車設計必須串聯兩個輸入電容器，以確保通過電池供電軌道連接后的無效保護穩定性。因此，有源電路可以節省額外的空間，因為小0402/0603電感和引入電容器的串聯可以取代多個1210電容器。小型電容器可以簡化設備的采購過程，因為這些設備可以隨時購買，不受經銷商的限制。

結語

我們密切關注EMI，特別是在汽車應用中使用電壓感應和電流引入的有源濾波器來完成低EMI信號，從而降低占用空間和體積，降低解決方案的成本。有源EMI濾波器電路與同步降壓控制器的集成，有利于處理中低EMI和高功率密度之間的直流/DC穩壓器測量問題。