德州儀器：降低EMI讓電源管理更“靜音”

近日，德州儀器召開新品發(fā)布會(huì)，德州儀器產(chǎn)品線經(jīng)理 Roja de Cande女士向我們介紹了業(yè)內(nèi)先進(jìn)的獨(dú)立式有源 EMI 濾波器IC。該新品致力于幫助工程師在電源管理設(shè)計(jì)上實(shí)施更小型更輕量的EMI濾波器，以降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本和材料成本，同時(shí)能滿足EMI監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。

在現(xiàn)代生活中，電氣系統(tǒng)變得愈發(fā)密集。隨著整個(gè)電氣系統(tǒng)變得愈發(fā)密集，對(duì)電源要求越來越高，電源功率也越來越大，使得這些應(yīng)用中的 EMI 變得尤為重要。但要實(shí)現(xiàn)低EMI，現(xiàn)有的方案卻面臨兩難挑戰(zhàn)：既要降低設(shè)計(jì)的EMI，又要縮小電源方案的尺寸。而傳統(tǒng)集成無源EMI濾波器的做法就面臨這一“兩難”：雖可降低EMI，但無源濾波器往往體積較大，約占電源解決方案總體積的30%之多，難以兩全。

從近兩年的技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)需求來看，在未來高禁帶的器件，類似于碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等第三代半導(dǎo)體材料會(huì)使用越來越多。從功率角度來說，功率密度越來越大，前端的濾波器就可以使用AEF產(chǎn)品進(jìn)一步縮小體積和尺寸，并且還具有相同的EMI 效果。

電源管理設(shè)計(jì)的五大挑戰(zhàn)

1.低電磁干擾 (EMI)：能夠盡可能地去減少系統(tǒng)組件的干擾，并簡(jiǎn)化工程師的設(shè)計(jì)。有源 EMI 濾波器 (AEF) 是低 EMI產(chǎn)品的一種，它可以大大減少前端共模電感的體積和尺寸，進(jìn)一步降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。

2.提升功率密度。提高功率密度可以實(shí)現(xiàn)更多系統(tǒng)功能，從而降低成本。在提高功率密度方面，對(duì)于電源，一方面在提高整個(gè)電源的效率以及熱管理，同時(shí)進(jìn)一步提高它的開關(guān)頻率，使得系統(tǒng)能夠用到更高的開關(guān)頻率，從而能夠用更小的電感和電容實(shí)現(xiàn)整個(gè)占板面積的減小和功率密度的提高。

3.降低IQ。對(duì)于電池應(yīng)用，能夠延長(zhǎng)電池壽命，以及整個(gè)電池使用時(shí)間。比如在煙感器等應(yīng)用中，低 IQ 能夠大大延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命和使用周期。

4.具備低噪聲和高精度。低噪聲和高精度電源能夠簡(jiǎn)化功率鏈，提升整個(gè)產(chǎn)品的可靠性。

5.隔離設(shè)計(jì)。在高壓和安全關(guān)鍵性應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)更高的工作電壓和更好的可靠性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了以更小的方案實(shí)現(xiàn)隔離的需求。

如何縮小獨(dú)立式有源AEF

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，日常生活中使用到的降噪耳機(jī)其實(shí)跟 AEF 有異曲同工的表現(xiàn)。首先是檢測(cè)噪聲，內(nèi)部會(huì)集成一個(gè)高帶寬的運(yùn)放。比如，先通過三相電容去檢測(cè)整個(gè)線上的噪聲，到運(yùn)放里把差模分量抵消掉，把共模的分量疊加出來，這相當(dāng)于檢測(cè)到了所有共模噪聲的分量，然后通過內(nèi)部運(yùn)放去把它反向和放大，反向和放大都是運(yùn)放內(nèi)部做的。最后再以一個(gè)反向電流的形式注入到輸入線上，從而去抵消原有的共模噪聲，這就是 AEF 基本的實(shí)現(xiàn)方式。

在應(yīng)用中，考慮到漏電流的關(guān)系，所以 Y 電容是受限的，原有的被動(dòng)元件不得不放大原來共模電感的感量。因?yàn)锳EF的降噪流程是檢測(cè)、反向放大、注入，所以相當(dāng)于是等效放大了Y電容（在100kHz至3MHz頻率范圍）。這既能夠有效減小漏電，同時(shí)也能夠放大 100kHz至3MHz的等效Y電容，進(jìn)一步降低整個(gè)共模電感的感量，從而降低解決方案的體積和重量。

全新獨(dú)立式有源 EMI 濾波器IC

針對(duì)電源管理系統(tǒng)中涉及到的降低EMI挑戰(zhàn)，TI推出了新的有源 EMI 濾波器 IC 系列包括針對(duì)單相和三相商業(yè)應(yīng)用的 TPSF12C1 和 TPSF12C3，以及面向汽車應(yīng)用的 TPSF12C1-Q1 和 TPSF12C3-Q1。這些器件可有效降低電源 EMI 濾波器中產(chǎn)生的熱量，從而延長(zhǎng)濾波電容器的使用壽命并提高系統(tǒng)可靠性。

沒有用AEF時(shí)，共模線圈的電感量在4 mH，直徑為70 mm；在使用了AEF之后，共模線圈直徑只有50mm，同時(shí)感量到了0.9 mH的級(jí)別。AEF使工程師能夠?qū)⒐材６罅魅Φ碾姼兄到档投噙_(dá)80%。與純無源濾波器解決方案相比，該功能使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒍罅魅Φ某叽鐪p小50%。而解決方案尺寸減小后，整體成本和重量也會(huì)減小。

從實(shí)際的展示板來看，左圖是原有的無源濾波器的設(shè)計(jì)，有兩個(gè)12 mH 的較大的共模線圈。使用了 AEF 之后（右圖），可以非常直觀地看到共模電感大大減小了，從原來的兩個(gè) 12mH，縮減到了一個(gè)1mH，另一個(gè)靠近整個(gè)功率端是4mH的扼流線圈。無論從體積、占板面積、重量還是成本上考慮，AEF都大大優(yōu)化了整個(gè)系統(tǒng)的表現(xiàn)。TI的AEF產(chǎn)品包括針對(duì)單相和三相商業(yè)應(yīng)用的TPSF12C1和TPSF12C3，以及面向汽車應(yīng)用的TPSF12C1-Q1和 TPSF12C3-Q1，均內(nèi)置了補(bǔ)償，對(duì)共模干擾有明顯改善，可在單相和三相交流電源系統(tǒng)中檢測(cè)和消除高達(dá)30dB的共模 EMI（頻率范圍為100kHz至3MHz）。