獨(dú)立式有源EMI濾波器IC如何縮小共模濾波器尺寸

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(shí)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(jì)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(shí)際的濾波器實(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)更緊湊的濾波器解決方案?？臻g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(jì)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(jì)。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(shí)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(shí)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(shí)際增加容值來實(shí)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(jì)算器工具進(jìn)行計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)際實(shí)現(xiàn)

圖 4 展示了適用于圖 1 中轉(zhuǎn)換器的 AEF 實(shí)際實(shí)現(xiàn)方法。使用 TPSF12C1-Q1 單相 AEF IC 實(shí)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(shí)得到的 EMI 結(jié)果。

圖 5：禁用和啟用 AEF 時(shí)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(shí)現(xiàn)與使用兩個 12mH 扼流圈的無源濾波器設(shè)計(jì)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(jì)適用的共模扼流圈參數(shù)，圖 6 重點(diǎn)展示了體積、尺寸、重量和成本節(jié)約值。

表 1：無源和有源濾波器解決方案的共模扼流圈參數(shù)

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(shí)現(xiàn)高效緊湊的設(shè)計(jì)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(shí)際效果表明，與同等的純無源濾波器設(shè)計(jì)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。