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如何实现开关电源EMI衰减?有源滤波可以解决

时间:2021-07-06 作者:Bill Schweber 阅读:
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?本文将讲述利用有源滤波实现开关电源EMI衰减。
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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)。

chart showing noise reducing techniques 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)。comparison of two PCB layout designs for a passive and active filter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。)

本文转载自《电子技术设计》网站

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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