采用有源EMI滤波器增强气流实现热量管理

在电子行业中，在较小空间中具有更多功能的小型设备的趋势仍然有增无减。随着空间缩小，设备之间干扰的可能性随着系统在密集封装的板和机架中配合更多功能而增加。随着频率上升和电压水平下降，传导EMI的控制成为一项更为重要的设计任务。

EMI控制是一项高度依赖于许多设计元素的复杂设计任务，它使用无源和有源滤波器，管理传导噪音。与无源解决方案相比，有源EMI滤波器可减小共模扼流圈的体积 - 允许滤波器采用1“x 1”x 0.2“封装，并提供薄型表面贴装器件。较小的尺寸可节省宝贵的电路板空间，降低的高度可增强气流，从而实现更好的热量管理。

有源EMI滤波器（图1中标记为QPI）可在150 kHz的频率范围内衰减传导模式和差模噪声。传导发射标准EN55022（CISPR22）要求30 MHz。图2显示了DC-DC转换器噪声曲线的前后图，以展示有源滤波器的性能。图是使用标准测量技术拍摄的，并设置了结果显示了标准DC-DC转换器在负载下的总噪声频谱，与EN55022 B类准峰值检测限相比。该图显示有源滤波器可有效降低总传导值。 ise频谱远低于要求的极限。

图1：DC-DC转换器的有源EMI滤波器（标记为QPI）的典型图。 CIN和C1，C2，C3和C4的值是转换器制造商通常推荐的值。

图2：没有滤波器的DC-DC转换器的传导EMI曲线（左）并且使用有源EMI滤波器（右）。

设计人员应注意，为了传导噪声选择和鉴定EMI滤波器，他们必须在适用的EMI标准规定的设置和条件下测试其产品中的滤波器。滤波器选择或设计必须基于预滤波的噪声幅度和所关注的频谱。产品的传导噪声曲线包括差分和共模噪声。它还可能包括辐射噪声，具体取决于测量设置中的EUT屏蔽和电缆屏蔽。 IEC（国际电工委员会）规范CISPR 16-2-1描述了传导干扰的测量方法。

应用中的滤波器性能高度依赖于输入总线和负载阻抗，不能从零偏差推断出来。仅50欧姆的插入损耗数据。最终噪声性能是滤波器元件，设备接地和噪声源阻抗的复杂函数，其在感兴趣的频谱上在幅度和相位上变化。

图3：频谱分析仪测试设置（QPI和转换器在地平面上方5 mm）。

有源EMI滤波器可在EN55022范围内提供150 kHz至30 MHz范围内的传导噪声的有源共模衰减。这是通过检测在总线中流动的共模电流并在屏蔽平面处产生低阻抗以将噪声再循环回到发生源来实现的。当如图1所示连接时，控制环路将主动驱动屏蔽引脚，并将总线中的共模电流降低到接近图2中共模电流比衰减曲线的值。

设计满足传导发射标准的第一步是尽量减少噪声发生器。在系统内的供电总线和参考地上测量的传导噪声源通常由功率转换部分引起，并且在较小程度上由数据I/O线或PWM风扇电机驱动电路等其他来源引起。

对于砖型转换器，某些拓扑结构和制造商产生的噪声比其他产品低。了解转换器的基线噪声至关重要。下一步是最小化噪声源到电源的耦合路径。大多数DC-DC转换器制造商建议将其产品与无源元件去耦，并通过PCB接地层进行屏蔽。即使是最好的低噪声转换器通常也需要额外的滤波和去耦才能通过一致性测试，尤其是EN55022 B类限制。

传导噪声的两个组成部分是差分和共模。由输入差动电流的AC分量在电源总线上产生差模噪声，该分量由转换器提供给提供输入功率的总线电源的输入电流的变化引起。产生的差模电流是CISPR 16-2-1中定义的对称电压。

大多数转换器制造商指定最小输入电容（Cin），以提供低输入源阻抗，以实现稳定工作。推荐的大值电解电容在转换器基波的谐波频率下不具有低阻抗。因此，具有良好高频特性的低值电容应与电解输入电容并联。即使采用这种方法，一些差分交流电流也会从总线流出，从而在总线上产生差模噪声电流。

为了满足B类规范的最低水平，有源EMI频率范围内的差分电流应该小于21dBμA。这相当于50欧姆的55dBμV或562μV的均方根电压。总线的长度可根据系统安装而变化。为了减轻此变量的影响，电容器CB（图1）应为QPI提供低源阻抗，从而最大限度地减少从转换器输出反射到QPI的瞬态负载期间的输入偏移。总线寄生电感和CB形成额外的差分噪声电流滤波。

电源总线上的共模噪声定义为CISPR 16-2-1中的不对称电压。 CISPR 16-2-1还将共模干扰描述为主要测量信号和控制线的干扰。有源滤波器旨在解决电源总线上的共模噪声问题。

高dv/dt E场（通常在主开关处），次级整流器和电源变压器寄生电容是共模噪声的原因。由转换器中的高水平dl/dt引起的功率磁性和寄生电感的B场也是共模噪声源。这些高场产生的所有噪声电流必须返回其源。 E场的最佳实践是通过共屏蔽接地层提供带电容器的返回路径 - 通常称为“Y”帽。

对于一致性测试，线路阻抗稳定网络（LISN）的地平面提供返回路径，如图3中的测试电路所示。在一致性测试中，共模电流流过LISN的总线+和总线的50欧姆测量路径，返回到被测设备的源头（ EUT）通过连接LISN和EUT的导线。

CISPR22测试限制是指特定系统在指定频谱上的总噪声。差分和共模噪声分量都会导致一致性失效，并且通常都必须衰减以通过B类限制。这里将不涉及类别区分细节，但基本上，A类允许更高的噪声水平，通常在固定系统中，与一般消费者和便携式应用的B类允许的噪声水平相比。最近，固定系统的标准已提升到各个数据通信板的AdvancedTCA™PICMG®3.0要求中的B类传导噪声限制。

还有不同的检测技术会影响通过/未通过标准的限制。 EN55022准峰值检测B类限值是本文所有图中的限制线。

结论

本文件中显示的结果是通过图3所示的测试配置获得的。使用频谱分析仪代替准峰值，以显着降低分析仪的扫描时间。使用准峰值检测测量模式将通过该检测方法引入的因子导致较低的测量幅度。