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如何实现开关电源EMI衰减?有源滤波可以解决
2022-07-17     来源:电子工程专辑    作者:Bill Schweber    浏览:20    评论:0        
导读:由开关拓扑功率器件(即使是小功率器件)所产生的噪声所引起的电磁干扰(EMI),是一个持续存在的问题。噪声不仅会影响其直接电路负载,而且传导EMI和辐射EMI还会损坏附近的电路如果涉及低电压传感器,这两种情况都特别
由开关拓扑功率器件(即使是小功率器件)所产生的噪声所引起的电磁干扰(EMI),是一个持续存在的问题。噪声不仅会影响其直接电路负载,而且传导EMI和辐射EMI还会损坏附近的电路——如果涉及低电压传感器,这两种情况都特别严重。
来自各种监管机构的许多标准都定义了在规定条件下所测量的EMI的最大容限。最常被引用的监管规定是面向汽车应用的CISPR 25和面向多媒体设备的CISPR 32,但也还有其他规定(CISPR是国际无线电干扰特别委员会的缩写)。
 
毫不奇怪,没有哪个单一“最佳”技术,可以最小化EMI并使其保持在监管限制以及负载可承受的范围以内。解决方案通常是噪声频率的函数,以及需要实现多少衰减,并且通常需要使用两种或多种方法的组合。其中一些降噪技术是针对违规开关电源设计本身的内部技术(图1)。
 
图1:抑制传导噪声和辐射噪声没有单一、简单的解决方案;根据噪声的频率和幅度,需要使用一种或多种技术。(图片来源:德州仪器)
 
即便如此,通常仍然需要加外部滤波,并且通常是以无源滤波器拓扑的形式由电阻、电感和电容(RLC)所组成。但是这种滤波器的性能及其大部分无源元件都存在限制。
 
除了标准无源滤波器之外,还有其他方案,例如“有源滤波”,德州仪器(TI)将其集成到了其LM25149同步降压DC/DC控制器中。有源滤波有点类似于耳机甚至某些汽车中所使用的有源消噪——在这种情况下,是将与不期望的信号大小相等、方向相反的信号添加到信号加噪声中,从而产生相当好的消噪效果。然而,噪声是非电子的,必须通过麦克风捕捉,这就带来了许多复杂的问题。
 
相比之下,开关电源的EMI已经是电子形式,因此更容易捕获、反转和消除。在有源滤波的情况下,我们(或电路)对噪声的细节了解得越多——除了其幅度、频率和概率分布等一般特征以外——开发方案来对抗它就越容易。
 
虽然这看起来像是一个电源与噪声的场景,但它属于更广泛的信号理论主题。使用H.L. Van Trees在他满是经典方程的三卷教科书系列“Detection, Estimation, and Modulation Theory(检测、估计和调制理论)”中所分析的分类,这是具有已知信号(此处为平坦电压输出轨)和已知噪声(具有已知频率范围和一般特性的相关EMI噪声)的一个案例。因此,它是最适合实现成功解决方案的信号与噪声挑战类型。
 
在这种情况下,有源滤波的好处是减少了有源滤波DC/DC解决方案的整体体积,主要是因为抵消电路只需要使用小得多的无源滤波器,而不是较大的“蛮力”无源滤波器(图2)。德州仪器提供了显示最终滤波性能的数据和图表(参考文献2和3)。
图2:虽然常用的无源滤波器(a)可以提供足够的降噪,但有源滤波器(b)使用较小的无源元件就可以做到这一点,从而大大减少了占板面积和体积。(图片来源:德州仪器)
 
请注意,有源滤波器和有源滤波这两个词组之间存在一些混淆的可能性。工程师都很熟悉无源滤波器,顾名思义,它实现了RLC拓扑。对于许多电子工程师来说,仅仅提到滤波器——尤其是无源滤波器——就会使他们回想起诸如巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔、椭圆(Cauer)、高斯和Sallen-Key等神秘方程和拓扑,但那是另一回事了。
 
相比之下,有源滤波器使用放大器(运算放大器)来设置滤波器响应的增益和相位。与无源滤波器相比,有源滤波器具有许多其他功能优势,例如高输入阻抗和低输出阻抗,从而在级与级之间提供良好的隔离。这极大地简化了级联多个级来改善滤波器特性的情况。然而,有源滤波器(名词)仍然只是一个没有反向消噪通路的正向信号通路滤波器。它与有源滤波(动词)不同。
 
您是否曾经使用过诸如有源滤波之类的高级方法?您对期望的信号和相关噪声又了解多少?最后结果是否如您预期的一样好,还是“现实世界”的不完美会影响您所取得的性能?
 
参考文献
1.“Detection, Estimation, and Modulation Theory,” Harry L. Van Trees, Wiley.
2.“Introduction to EMI: Standards, causes and mitigation techniques,” Texas Instruments.
3.“How to reduce EMI and shrink power-supply size with an integrated active EMI filter,” Texas Instruments.
4.“LM25149 DC/DC controller data sheet,” Texas Instruments
本文授权编译自EDN美国版,原文参考链接:Active filtering: Attenuating switching-supply EMI。由赵明灿编译。)
 

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