借助有源EMI滤波器技术缩小汽车电源尺寸并降低成本

在上期中，我们探讨了运算放大器电路中，输入阶跃与输出负载瞬态响应时间的差异问题。

本期，为大家带来的是《优化放大器电路中的输入和输出瞬态稳定时间》，将讨论有源EMI滤波器技术能显著缩小汽车电源尺寸、降低成本，是替代传统无源滤波器的先进解决方案。

引言

电磁干扰 (EMI) 是所有现代电子器件固有的问题，因此大多数电子器件必须符合严格的 EMI 法规才能投入市场。随着汽车行业向自动驾驶、更先进的信息娱乐系统以及混合动力或全电动汽车趋势发展，汽车电源转换器需要处理更高的功率，并且尺寸更小、复杂性更高。因此，EMI 已成为电力电子产品设计人员面临的一项主要挑战。在汽车电力电子系统中，由电感器和电容器组成的传统无源 EMI 滤波器是体积最大的部件之一。

滤波器 (AEF)，它使用有源电路来感应噪声并注入相应的消除信号来降低 EMI。本文概述了基于 LM25149-Q1的差模 AEF 的实现方案，其中，LM25149-Q1 是一款具有集成式 AEF 的降压控制器。测试结果表明，与传统无源滤波器相比，在采用 AEF 设计的 400kHz 转换器中，EMI 滤波器面积缩小近50%，体积缩小75%以上。

AEF 概念

图 1 所示为AEF 的等效电路；vS是噪声源，ZS是内部阻抗，而ZL代表负载。

图 1：AEF 的等效电路

AEF 会感应、放大噪声电压 vL，并将消除电流 icancel注入到系统中。假设从 vL到 icancel的增益为 A，则表示AEF 等效阻抗的公式 1 如下：

公式 1

较大的增益会产生一条低阻抗路径来分流噪声电流，从而可以降低 VL。

AEF 实现

图 2 所示为AEF 的实现情况，其中ZL表示线路阻抗稳定网络或电源的阻抗；Cin表示电源转换器的输入电容器；L是差模电感器；Csense和 Cinj是感应电容器和注入电容器，也用于将放大器电路与电源隔离；Ccomp、Rcomp、Ccomp1和 Rcomp1可确保系统稳定性；而Zdamp包含与电容器并联的小电阻器，是一个阻尼网络，用于阻尼 AEF 和 L 之间的谐振。

图 2：AEF 实现

针对此实现方案，表示 AEF 等效阻抗的公式 2 如下：

公式 2

其中，Zop是运算放大器的输出阻抗，Gop_amp是从感应节点到运算放大器输出端的电压增益，而ZC_inj是注入电容器的阻抗。

电感器选择标准

如图 2 所示，AEF 需要配合 L 进行噪声滤波。L 的选择有两个主要标准：噪声衰减和运算放大器饱和度。

噪声衰减

AEF 提供一条低阻抗路径并与 L 形成分压器，用于降低噪声。在相关频率范围内，Cin的阻抗远小于 L 的阻抗，且负载阻抗 ZL远大于 AEF 的等效阻抗。因此，计算 L和 AEF 降噪的公式 3 如下：

公式 3

其中，ZL_inductor为 L 的阻抗。

根据公式 3，可参考以下步骤为具有 AEF 的给定转换器设计相应的 L：

通过实际测量或仿真，获得电源转换器的裸噪声，即未经任何滤波的电源转换器噪声。

2. 根据公式 4 确定所需的噪声衰减：

公式 4

其中，vbare为电源转换器的裸噪声，vlimit为相关 EMI标准规定的限值，而m为安全裕度（如 6dB）。

3. 根据公式 2 计算 AEF 的等效阻抗。

4. 根据公式 3 获得 L 的阻抗并选择电感器

开关频率下的基波 EMI 杂散通常高于其他杂散，并决定了电感值。例如，假设有一个 400kHz 的转换器，其主要基波杂散为 96dBµV。如果相关的 EMI 标准将400kHz 尖峰限制为 56dBµV，则需要的噪声衰减加上6dB 裕度将是 46dB，即 200 倍。

对于 LM25149-Q1 控制器，400kHz 转换器的典型AEF 配置为 100nF Csense、50kΩ RDC_fb、1kΩRcomp、1nF Ccomp和 470nF Cinj；Zdamp是一个与 15Ω电阻器并联的 220nF 电容器。使用此配置，在 400kHz时，Rcomp/ZC_sense= 2ωf × RcompCsense可以估算出Gop_amp约为 250；Zdamp约为 1.8Ω；Zinj约为 0.8Ω；集成运算放大器的开环输出阻抗约为 1Ω；而闭环输出阻抗 Zop估算值为 0.5Ω。因此，根据公式 2，AEF 的等效阻抗 Zeq_AEF约为 12.4mΩ。根据公式 3，L 的阻抗在400kHz 时需要约为 2.5Ω，这对应于 1µH 电感。

运算放大器饱和度

由于运算放大器的输出电压和电流受到限制，另一个标准是确保运算放大器不会因所选电感器而饱和。AEF 通常会因输出电流而不是输出电压产生饱和，这归因于注入路径的低阻抗。公式 5 计算流过电感器的噪声电流为：

公式 5

如果基波开关频率下的电压杂散 vbare_fund高于其他频率下的电压杂散，则 vbare_fund主要决定了流入运算放大器的电流。但是，需要为其他频率分量的累积贡献留出一定的裕度。对于 400kHz 转换器，裕度应约为25mA，而对于 2MHz 转换器，裕度应约为 35mA。LM25149-Q1 中集成的 AEF 的最小输出电流能力约为65mA。在 400kHz 转换器中使用 AEF 时，流经 AEF 的电流的 400kHz 分量应小于 40mA。假设占主导地位的基波 (400kHz) 裸噪声杂散为 100mV，那么电感器的阻抗需要大于 2.5Ω 以防止 AEF 饱和。

PCB 布局注意事项

为了提高 AEF 的高频性能，在印刷电路板 (PCB) 布局布线期间应注意防止耦合噪声对 AEF 输出的影响。表 1列出了 LM25149-Q1 的 AEF 相关引脚。

表 1. LM25149-Q1 的 AEF 相关引脚

为了提高 LM25149-Q1 中的 AEF 性能，请在PCB 布局布线期间遵循以下指南：

•SENSE、INJ 和 REFAGND 布线应平行置于没有噪声的层上，并尽可能靠近以尽可能减少近场耦合。避免各层产生噪声或高压走线。REFAGND 不应位于 SENSE 和 INJ 布线之间。三者的布线不能位于集成电路 (IC) 下方或靠近噪声布线或元件（例如 IC 的 VCC电容器）。

•将 REFAGND 直接布放到没有噪声的接地端，或是感应/注入节点附近的接地端。从噪声的角度来看，REFAGND 是最关键的引脚。REFAGND 引脚有噪声时，可能会显著影响 AEF 的性能。不要将任何电容器接地到REFAGND 引脚或 REFAGND 布线。

•还应确保 AVSS 接地没有噪声，并尽可能远离 IC。不要将 AVSS 直接连接到电源控制器IC 的接地/散热焊盘。使 AEF 偏置电源的去耦电容器一直靠近 AEFVDDA 引脚和 AVSS接地连接。

•将高频补偿元件 Rcomp1和 Ccomp1放置在其他 AEF 元件附近。确保接地连接远离任何噪声源；换句话说，不要在功率级或输入电容器附近将该支路接地。

图 3a 所示为不正确的 PCB 布局，其中SENSE、INJ 和 REFAGND 布线太靠近 IC 和VCC 电容器，这会向 AEF 引入耦合并影响其性能。图 3b 所示为使用这种布局的测量结果，其中在启用 AEF 的情况下可以看到 8MHz 到30MHz 之间的噪声增加。

(a) AEF 不良布线布局

(b) 使用不良布局时的测量结果

图 4 所示为有助于解决此问题的良好 PCB 布局。

图 4：可实现出色 AEF 性能的适当 PCB布局示例R

通过 AEF 减小尺寸和体积

LM25149-Q1 中实施的 AEF 可通过减少滤波器元件大幅降低 EMI，如图 5 中的测量结果所示。

图 5.使用无源滤波器和 AEF 时的差模噪声频谱

我们在440kHz的开关频率、12V的输入电压和5V/5A的输出条件下进行了测量。对于该 AEF，L 为1µH，Csense为 100nF，Ccomp为1nF，Rcomp为 1kΩ，Ccomp1为100nF，Rcomp1为 0.5Ω，RDC_fb为50kΩ，Cinj为 470nF，阻尼网络是一个与 15Ω 电阻器并联的 220nF 电容器。

相比之下，无源 EMI 滤波器是一个3.3µH 的差模电感器，而且并联了两个10µF 差模电容器和两个 100nF 差模电容器。在 AEF 和无源滤波器解决方案之间，实现相同衰减下的 AEF 尺寸和体积分别减小了约50%和75%，如表 2 所示。

表 2.无源滤波器和 AEF 的尺寸和体积比较

表 2 中的估算值考虑了 AEF 所需的所有外部元件以及实际 PCB 布局的尺寸增加情况。除了密度优势外，AEF 还提供了一种无需大型电感器和电容器的低成本解决方案。

结论

有源 EMI 滤波器能够出色地取代传统上笨重且昂贵的无源滤波器。电力电子产品设计人员可利用集成到 TI汽车控制器 LM25149-Q1 中的 AEF 来应对汽车环境中的 EMI 挑战、提高功率密度并降低其电源解决方案的成本。