2.6 使用有源 EMI 滤波器减小滤波器尺寸和成本

[德州仪器 (TI) 叮当声]

大家好，欢迎参加 TI 的低 EMI 系列培训。

我是 Sam Jaffe，在这个简短的视频中，

我们将讨论如何使用我们所说的 AEF 功能，

即有源 EMI 滤波器，来减小 EMI 滤波器的尺寸并降低成本。

首先，我们谈一谈 EMI滤波器是什么，

以及我们为什么需要使用它。

在本视频中，我们将重点介绍低频 EMI，

即低于约 30 兆赫兹传导的

差分模式 EMI。

降压稳压器是一种开关稳压器，

它一般会在几百千赫兹到最高几兆赫兹的

开关频率下产生噪声，

并在该频率的谐波处产生噪声。

一般情况下，以浅蓝色显示的电感器电流

是一种三角波。

上升斜率由以深蓝色显示的

输入电流 I IN 提供。

该输入电流纹波会在 V IN 上导致

电压纹波。

这种纹波可返回到电源，

在这种情况下，电池可能干扰

由电源供电的其他电路。

因此，我们想减少这种纹波，

以避免干扰其他系统。

为此，我们可以在输入上添加电容，

例如 C IN。

为了进一步过滤纹波，我们可以与电源串联放置

一个电感器并添加更多电容。

这就叫做无源 EMI 滤波器。

这里的电阻器是为了抑制

电容器与电感器的任何谐振，

但谐振也可能来自于大容量电容器的 ESR

或其他电容器和电阻器组合的 ESR。

大多数需要符合 EMI 规范的汽车和工业系统

一般都采用这种方法。

好消息是，如果 EMI 测试失败，

只需添加更多电感或更多电容

进一步减小 EMI，

即可解决该问题。

但是，问题在于成本。

电感和电容越多，价格就越贵，占据的

电路板面积也越大。

为解决此问题，您可以提高开关频率，

但这样高频 EMI又成了一个

大问题，您也可以

寻找展频器件，这样就能将

基频减少几 dB 微伏。

但这样可能衰减幅度不够，仍然不是您理想的

解决方案。

另一种方法是使用两相器件或两个

180 度异相的器件，即相互交错，

这会极大地减少这种纹波。

但增加的成本甚至更多。

那么我们还有什么办法呢？

我们可以使用 TI提供的一种新功能，

即有源 EMI滤波器，简称 AEF，在低频

EMI 性能上有明显的优势，

而且可以显著减小滤波器尺寸并降低成本。

它会感应电源电压纹波，

并注入一个与纹波相反的等比例信号，

以抵消纹波。

如果 V IN EMI 纹波上升，AEF 会同步

电流以以让纹波下降。

如果 V IN EMI 纹波下降，AEF 会输送

电流以让纹波上升。

它本质上是抵制电压变化，

其实就是电容器的作用。

但 AEF 能够以超大电容的规模

同步和输送电流，

而且用很小的低成本电路构成。

这是 AEF 在现实电路图中的样子。

我们看到降压稳压器有一个

感应引脚和一个注入引脚，分别感应 V IN EMI

和注入电流，用来消除纹波。

红色圈里的补偿网络

确保滤波器保持稳定，以所需频率

为目标并注入理想数量的电流。

所有这些组件都可以采用小型 0603 封装或更小的封装，

从而将尺寸和成本保持在超低水平。

现在，我们来看AEF 带来的结果，

我们可改善EMI 结果的程度，

以及滤波器的尺寸减小幅度。

在这里，我们可以看到

依据 CISPR 25 5 类标准的低频传导 EMI 测试板结果。

两个测试都是在采用相同的

小型无源 EMI 滤波器的相同电路板上进行的，

但左图禁用了 AEF，

右图启用了 AEF。

我们可以看到2 兆赫兹的基频

衰减了 17 至 18 dB 微伏，

二次谐波也衰减了

大约 10 dB 微伏。

我们还可以看到低于基频的

低频噪声也显著减少。

为了得到这种次谐波衰减效果，

我们需要输入滤波器上存在大量的电感和

电容。

另一方面，有源 EMI 滤波器

可轻松实现这种性能。

这种优势在较低的开关频率下

甚至更加明显。

这里并列比较了开关频率为 400 千赫兹的

电路板上的两个滤波器。

与采用 AEF 的降压滤波器相比，

在基频下纯无源滤波器 EMI 辐射

大约会恶化 20dB 微伏。

左侧的电路板图像展示了纯无源滤波器，

右侧的电路板图像

展示了尺寸缩减后的采用 AEF 的无源滤波器。

AEF 滤波器的电感减小

使得电感器的占用空间

和重量都比纯无源滤波器的电感器

更小。

此外，来自 AEF 补偿网络的0402 和 0603 无源器件的

组合面积也小于

纯无源滤波器上所需的0805 和 1210 电容器的

组合面积，更不用提节约的成本了。

由于电感器的尺寸减小，

而且输入电容器可替换为低成本无源器件，

因此成本显著降低。

此外，还要考虑到纯无源滤波器的电容器

不仅需要与特定电容器相称，

还必须与最大输入电压

甚至更高的电压相称，而大多数 AEF 无源器件

需要的额定电压低很多，

这进一步降低了整个 AEF 滤波器的成本。

该总体解决方案能缩小 50% 的面积，

减少 66% 的体积，此外，在基频下

改善了 20 dB 微伏。

这里还有一个比较 AEF 与纯无源滤波器的示例。

左侧是 LM25149 评估板。

这是俯视图，显示滤波器的背面。

右侧是采用纯无源滤波器的老一代

LM5141 评估板。

两者的低频EMI 性能相似。

我们再次看到，AEF 滤波器总体尺寸，

甚至包括 AEF 补偿网络，显然比性能相当的

纯无源滤波器更小

而且更便宜。

从这些结果中可以看到，

AEF 能够显著减小

低频 EMI 辐射，而且可以

将 EMI 滤波器尺寸和成本缩减为原来的

几分之一。

下次增加输入EMI 滤波器的

大小以达到低频辐射要求时，

或者您想开始设计

并想选择低成本滤波器时，

请记住我们的有源EMI 滤波器功能，

并考虑在设计时使用有助于减小

解决方案尺寸和EMI 辐射并降低成本的器件。

我们的有源 EMI 滤波器视频到此结束。

请务必观看我们其他的 EMI 系列视频，

以期成为注重 EMI 的电力设计专家。

谢谢观看。

[德州仪器 (TI) 叮当声]

大家好，欢迎参加 TI 的低 EMI 系列培训。

我是 Sam Jaffe，在这个简短的视频中，

我们将讨论如何使用我们所说的 AEF 功能，

即有源 EMI 滤波器，来减小 EMI 滤波器的尺寸并降低成本。

首先，我们谈一谈 EMI滤波器是什么，

以及我们为什么需要使用它。

在本视频中，我们将重点介绍低频 EMI，

即低于约 30 兆赫兹传导的

差分模式 EMI。

降压稳压器是一种开关稳压器，

它一般会在几百千赫兹到最高几兆赫兹的

开关频率下产生噪声，

并在该频率的谐波处产生噪声。

一般情况下，以浅蓝色显示的电感器电流

是一种三角波。

上升斜率由以深蓝色显示的

输入电流 I IN 提供。

该输入电流纹波会在 V IN 上导致

电压纹波。

这种纹波可返回到电源，

在这种情况下，电池可能干扰

由电源供电的其他电路。

因此，我们想减少这种纹波，

以避免干扰其他系统。

为此，我们可以在输入上添加电容，

例如 C IN。

为了进一步过滤纹波，我们可以与电源串联放置

一个电感器并添加更多电容。

这就叫做无源 EMI 滤波器。

这里的电阻器是为了抑制

电容器与电感器的任何谐振，

但谐振也可能来自于大容量电容器的 ESR

或其他电容器和电阻器组合的 ESR。

大多数需要符合 EMI 规范的汽车和工业系统

一般都采用这种方法。

好消息是，如果 EMI 测试失败，

只需添加更多电感或更多电容

进一步减小 EMI，

即可解决该问题。

但是，问题在于成本。

电感和电容越多，价格就越贵，占据的

电路板面积也越大。

为解决此问题，您可以提高开关频率，

但这样高频 EMI又成了一个

大问题，您也可以

寻找展频器件，这样就能将

基频减少几 dB 微伏。

但这样可能衰减幅度不够，仍然不是您理想的

解决方案。

另一种方法是使用两相器件或两个

180 度异相的器件，即相互交错，

这会极大地减少这种纹波。

但增加的成本甚至更多。

那么我们还有什么办法呢？

我们可以使用 TI提供的一种新功能，

即有源 EMI滤波器，简称 AEF，在低频

EMI 性能上有明显的优势，

而且可以显著减小滤波器尺寸并降低成本。

它会感应电源电压纹波，

并注入一个与纹波相反的等比例信号，

以抵消纹波。

如果 V IN EMI 纹波上升，AEF 会同步

电流以以让纹波下降。

如果 V IN EMI 纹波下降，AEF 会输送

电流以让纹波上升。

它本质上是抵制电压变化，

其实就是电容器的作用。

但 AEF 能够以超大电容的规模

同步和输送电流，

而且用很小的低成本电路构成。

这是 AEF 在现实电路图中的样子。

我们看到降压稳压器有一个

感应引脚和一个注入引脚，分别感应 V IN EMI

和注入电流，用来消除纹波。

红色圈里的补偿网络

确保滤波器保持稳定，以所需频率

为目标并注入理想数量的电流。

所有这些组件都可以采用小型 0603 封装或更小的封装，

从而将尺寸和成本保持在超低水平。

现在，我们来看AEF 带来的结果，

我们可改善EMI 结果的程度，

以及滤波器的尺寸减小幅度。

在这里，我们可以看到

依据 CISPR 25 5 类标准的低频传导 EMI 测试板结果。

两个测试都是在采用相同的

小型无源 EMI 滤波器的相同电路板上进行的，

但左图禁用了 AEF，

右图启用了 AEF。

我们可以看到2 兆赫兹的基频

衰减了 17 至 18 dB 微伏，

二次谐波也衰减了

大约 10 dB 微伏。

我们还可以看到低于基频的

低频噪声也显著减少。

为了得到这种次谐波衰减效果，

我们需要输入滤波器上存在大量的电感和

电容。

另一方面，有源 EMI 滤波器

可轻松实现这种性能。

这种优势在较低的开关频率下

甚至更加明显。

这里并列比较了开关频率为 400 千赫兹的

电路板上的两个滤波器。

与采用 AEF 的降压滤波器相比，

在基频下纯无源滤波器 EMI 辐射

大约会恶化 20dB 微伏。

左侧的电路板图像展示了纯无源滤波器，

右侧的电路板图像

展示了尺寸缩减后的采用 AEF 的无源滤波器。

AEF 滤波器的电感减小

使得电感器的占用空间

和重量都比纯无源滤波器的电感器

更小。

此外，来自 AEF 补偿网络的0402 和 0603 无源器件的

组合面积也小于

纯无源滤波器上所需的0805 和 1210 电容器的

组合面积，更不用提节约的成本了。

由于电感器的尺寸减小，

而且输入电容器可替换为低成本无源器件，

因此成本显著降低。

此外，还要考虑到纯无源滤波器的电容器

不仅需要与特定电容器相称，

还必须与最大输入电压

甚至更高的电压相称，而大多数 AEF 无源器件

需要的额定电压低很多，

这进一步降低了整个 AEF 滤波器的成本。

该总体解决方案能缩小 50% 的面积，

减少 66% 的体积，此外，在基频下

改善了 20 dB 微伏。

这里还有一个比较 AEF 与纯无源滤波器的示例。

左侧是 LM25149 评估板。

这是俯视图，显示滤波器的背面。

右侧是采用纯无源滤波器的老一代

LM5141 评估板。

两者的低频EMI 性能相似。

我们再次看到，AEF 滤波器总体尺寸，

甚至包括 AEF 补偿网络，显然比性能相当的

纯无源滤波器更小

而且更便宜。

从这些结果中可以看到，

AEF 能够显著减小

低频 EMI 辐射，而且可以

将 EMI 滤波器尺寸和成本缩减为原来的

几分之一。

下次增加输入EMI 滤波器的

大小以达到低频辐射要求时，

或者您想开始设计

并想选择低成本滤波器时，

请记住我们的有源EMI 滤波器功能，

并考虑在设计时使用有助于减小

解决方案尺寸和EMI 辐射并降低成本的器件。

我们的有源 EMI 滤波器视频到此结束。

请务必观看我们其他的 EMI 系列视频，

以期成为注重 EMI 的电力设计专家。

谢谢观看。