如何通过内置有源 EMI 滤波器降低 EMI 并减小电源尺寸

    随着电子信息产业的发展，以及各种新型用电设备的普及，如何给这些设备提供稳定、安全高效、干净的电能变得越来越重要。开关功率变换器由于重量小、体积轻、效率高，性能稳定等优点在电源中得到快速发展和广泛应用，但其高频开、关工作特性，会产生大量的电磁干扰（EMI），严重污染 周围电磁环境和电源系统，这不仅会使变换电路自身的可靠性降低，而且使电网及邻近设备运行质量受到影响。

有源滤波技术根据应用场合可以分为有源EMI滤波器（AEF）和有源电力滤波器（APF）。AEF的工作原理是通过注入一个与原噪声电流 大小相等，方向相反的补偿信号，以此来达到消去电路中的噪声电流的目的，说明AEF （有源EMI滤波）对于EMI （电磁干扰）性能和面积减少的主要优势。 

    低EMI设计者正在从事应用程序的设计，降低EMI和减少EMI 的同时还必须减小解决方案尺寸，经常面临的重大挑战之一。前端无源滤波可降低开关电源中发生的传导EMI ，可用于满足传导EMI标准，但尤其是增加开关速率会对整体EMI特征产生不利影响。鉴于此，这种方法可能与需求发生冲突用于提高低EMI设计中的功率密度。此外，这些无源滤波器通常又大又笨重，有时高达电源解决方案总体积的30% 。因此，提高功率密度，同时最小化的尺寸的所述EMI滤波器仍然是系统设计者的优先事项。 

另一方面，AEF技术是一种相对较新的EMI滤波技术，不仅显着降低了无源滤波器的尺寸和成本，而且还提高了EMI性能。 

EMI滤波 

无源滤波通过使用电感器和电容器在EMI电流路径中产生阻抗失配来减少电力电子电路中的传导辐射。相比之下，有源滤波感测输入总线上的电压并产生反相电流，直接抵消开关级中产生的EMI电流。 

考虑到这一点，让我们看一下图1 中所示的无源和有源滤波器的简化原理图。对于DC/DC稳压器的差模噪声，诺顿等效电路的电流源和阻抗分别用i N和Z N表示。 

图1 ：传统无源滤波(a)和有源滤波(b) 的电路实现 

电压感测和电流消除（VSCC活性组成）EMI滤波器（图1B中），滤波电容器（被动设计ç ˚F代替）使用运算放大器电路的电容乘法器。图中所示的有源滤波器的传感（SEN ）、注入（INJ ）和补偿（COMP ）阻抗是相对较低的电容值，为了获得所示的增益项，占据元件的小面积由G OP.使用。有效有源电容由运算放大器电路的增益和注入电容器 ( C INJ ) 决定。 

图1还显示了计算滤波器有效截止频率的公式。这种有效的G OP允许有源设计实现与无源实现相当的截止频率，同时降低电感器和电容器值。 

改进的过滤性能 

图2比较了基于传导EMI测试的无源和有源EMI滤波器设计，使用峰值和平均检波器符合CISPR （国际无线电干扰特别委员会）25类5标准。每个设计都使用带有同步降压DC/DC控制器“ LM25149-Q1 ”的电源级，以从13.5V车载电池输入获得5V和6A输出。开关频率为440kHz 。 

图2 ：相同功率级工作条件下无源滤波器设计(a)和有源滤波器设计(b)的比较 

图3显示了启用和不启用AEF电路的结果。有源EMI滤波器比未过滤或未处理的噪声特征提供更好的中低频衰减。440kHz EMI级基频分量峰值为50dB ，较低接近，严格的EMI使其易于适应要求。 

图3 ：AEF禁用(a)和启用(b)时的过滤性能比较 

减少PCB面积 

图4显示了产生图2所示结果的无源和有源滤波器级的印刷电路板 ( PCB ) 布局的比较。电感的占用面积从5mm x 5mm减少到4mm x 4mm 。而且，由于外加电压显着降低了2个1210电容，AEF感测，注入，对应补偿，稳定紧凑的0402已被部分替换。这种过滤器解决方案的尺寸面积减少了近50 % ，体积减少了75% 以上。 

图4 ：无源(a)和有源(b)滤波器设计中PCB布局的尺寸比较 

无源元件的好处 

如所提到的较早，低滤波器电感值AEF相比具有无源滤波器设计电感器减少了占用空间和成本。此外，体积更小的电感器具有低寄生绕组电容和高自谐振频率的绕组形状，这提高了CISPR 25 在高导通频率范围（30MHz至108MHz ）上的滤波性能。 

当直接连接到电池电源轨时，一些汽车设计需要串联连接两个输入电容器以实现故障安全和稳健性。在有源电路中，小型0402/0603感应和注入电容器串联连接，而不是多个1210电容器，从而进一步节省空间。更小的电容器更容易获得并且没有供应限制，这简化了零件采购。 

概括 

随着对EMI的持续关注，特别是在汽车应用中，利用电压感应和电流注入的有源滤波器不仅实现了低EMI特征，而且最终减少了解决方案的占地面积和体积以及解决方案的成本。将导致改进. 同步降压控制器AEF内置电路，低EMI ，高功率密度DC/DC不利于解决稳压器应用日你的权衡问题。