在上期中，我們探討了運(yùn)算放大器電路中，輸入階躍與輸出負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間的差異問題。

本期，為大家?guī)?lái)的是《優(yōu)化放大器電路中的輸入和輸出瞬態(tài)穩(wěn)定時(shí)間》，將討論有源EMI濾波器技術(shù)能顯著縮小汽車電源尺寸、降低成本，是替代傳統(tǒng)無(wú)源濾波器的先進(jìn)解決方案。

引言

電磁干擾 (EMI) 是所有現(xiàn)代電子器件固有的問題，因此大多數(shù)電子器件必須符合嚴(yán)格的 EMI 法規(guī)才能投入市場(chǎng)。隨著汽車行業(yè)向自動(dòng)駕駛、更先進(jìn)的信息娛樂系統(tǒng)以及混合動(dòng)力或全電動(dòng)汽車趨勢(shì)發(fā)展，汽車電源轉(zhuǎn)換器需要處理更高的功率，并且尺寸更小、復(fù)雜性更高。因此，EMI 已成為電力電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員面臨的一項(xiàng)主要挑戰(zhàn)。在汽車電力電子系統(tǒng)中，由電感器和電容器組成的傳統(tǒng)無(wú)源 EMI 濾波器是體積最大的部件之一。

濾波器 (AEF)，它使用有源電路來(lái)感應(yīng)噪聲并注入相應(yīng)的消除信號(hào)來(lái)降低 EMI。本文概述了基于 LM25149-Q1的差模 AEF 的實(shí)現(xiàn)方案，其中，LM25149-Q1 是一款具有集成式 AEF 的降壓控制器。測(cè)試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)無(wú)源濾波器相比，在采用 AEF 設(shè)計(jì)的 400kHz 轉(zhuǎn)換器中，EMI 濾波器面積縮小近50%，體積縮小75%以上。

AEF 概念

圖 1 所示為AEF 的等效電路；vS是噪聲源，ZS是內(nèi)部阻抗，而ZL代表負(fù)載。

圖 1：AEF 的等效電路

AEF 會(huì)感應(yīng)、放大噪聲電壓 vL，并將消除電流 icancel注入到系統(tǒng)中。假設(shè)從 vL到 icancel的增益為 A，則表示AEF 等效阻抗的公式 1 如下：

公式 1

較大的增益會(huì)產(chǎn)生一條低阻抗路徑來(lái)分流噪聲電流，從而可以降低 VL。

AEF 實(shí)現(xiàn)

圖 2 所示為AEF 的實(shí)現(xiàn)情況，其中ZL表示線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)或電源的阻抗；Cin表示電源轉(zhuǎn)換器的輸入電容器；L是差模電感器；Csense和 Cinj是感應(yīng)電容器和注入電容器，也用于將放大器電路與電源隔離；Ccomp、Rcomp、Ccomp1和 Rcomp1可確保系統(tǒng)穩(wěn)定性；而Zdamp包含與電容器并聯(lián)的小電阻器，是一個(gè)阻尼網(wǎng)絡(luò)，用于阻尼 AEF 和 L 之間的諧振。

圖 2：AEF 實(shí)現(xiàn)

針對(duì)此實(shí)現(xiàn)方案，表示 AEF 等效阻抗的公式 2 如下：

公式 2

其中，Zop是運(yùn)算放大器的輸出阻抗，Gop_amp是從感應(yīng)節(jié)點(diǎn)到運(yùn)算放大器輸出端的電壓增益，而ZC_inj是注入電容器的阻抗。

電感器選擇標(biāo)準(zhǔn)

如圖 2 所示，AEF 需要配合 L 進(jìn)行噪聲濾波。L 的選擇有兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)：噪聲衰減和運(yùn)算放大器飽和度。

噪聲衰減

AEF 提供一條低阻抗路徑并與 L 形成分壓器，用于降低噪聲。在相關(guān)頻率范圍內(nèi)，Cin的阻抗遠(yuǎn)小于 L 的阻抗，且負(fù)載阻抗 ZL遠(yuǎn)大于 AEF 的等效阻抗。因此，計(jì)算 L和 AEF 降噪的公式 3 如下：

公式 3

其中，ZL_inductor為 L 的阻抗。

根據(jù)公式 3，可參考以下步驟為具有 AEF 的給定轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)相應(yīng)的 L：

通過(guò)實(shí)際測(cè)量或仿真，獲得電源轉(zhuǎn)換器的裸噪聲，即未經(jīng)任何濾波的電源轉(zhuǎn)換器噪聲。

2. 根據(jù)公式 4 確定所需的噪聲衰減：

公式 4

其中，vbare為電源轉(zhuǎn)換器的裸噪聲，vlimit為相關(guān) EMI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，而m為安全裕度（如 6dB）。

3. 根據(jù)公式 2 計(jì)算 AEF 的等效阻抗。

4. 根據(jù)公式 3 獲得 L 的阻抗并選擇電感器

開關(guān)頻率下的基波 EMI 雜散通常高于其他雜散，并決定了電感值。例如，假設(shè)有一個(gè) 400kHz 的轉(zhuǎn)換器，其主要基波雜散為 96dBμV。如果相關(guān)的 EMI 標(biāo)準(zhǔn)將400kHz 尖峰限制為 56dBμV，則需要的噪聲衰減加上6dB 裕度將是 46dB，即 200 倍。

對(duì)于 LM25149-Q1 控制器，400kHz 轉(zhuǎn)換器的典型AEF 配置為 100nF Csense、50kΩ RDC_fb、1kΩRcomp、1nF Ccomp和 470nF Cinj；Zdamp是一個(gè)與 15Ω電阻器并聯(lián)的 220nF 電容器。使用此配置，在 400kHz時(shí)，Rcomp/ZC_sense= 2ωf × RcompCsense可以估算出Gop_amp約為 250；Zdamp約為 1.8Ω；Zinj約為 0.8Ω；集成運(yùn)算放大器的開環(huán)輸出阻抗約為 1Ω；而閉環(huán)輸出阻抗 Zop估算值為 0.5Ω。因此，根據(jù)公式 2，AEF 的等效阻抗 Zeq_AEF約為 12.4m?。根據(jù)公式 3，L 的阻抗在400kHz 時(shí)需要約為 2.5?，這對(duì)應(yīng)于 1μH 電感。

運(yùn)算放大器飽和度

由于運(yùn)算放大器的輸出電壓和電流受到限制，另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是確保運(yùn)算放大器不會(huì)因所選電感器而飽和。AEF 通常會(huì)因輸出電流而不是輸出電壓產(chǎn)生飽和，這歸因于注入路徑的低阻抗。公式 5 計(jì)算流過(guò)電感器的噪聲電流為：

公式 5

如果基波開關(guān)頻率下的電壓雜散 vbare_fund高于其他頻率下的電壓雜散，則 vbare_fund主要決定了流入運(yùn)算放大器的電流。但是，需要為其他頻率分量的累積貢獻(xiàn)留出一定的裕度。對(duì)于 400kHz 轉(zhuǎn)換器，裕度應(yīng)約為25mA，而對(duì)于 2MHz 轉(zhuǎn)換器，裕度應(yīng)約為 35mA。LM25149-Q1 中集成的 AEF 的最小輸出電流能力約為65mA。在 400kHz 轉(zhuǎn)換器中使用 AEF 時(shí)，流經(jīng) AEF 的電流的 400kHz 分量應(yīng)小于 40mA。假設(shè)占主導(dǎo)地位的基波 (400kHz) 裸噪聲雜散為 100mV，那么電感器的阻抗需要大于 2.5Ω 以防止 AEF 飽和。

PCB 布局注意事項(xiàng)

為了提高 AEF 的高頻性能，在印刷電路板 (PCB) 布局布線期間應(yīng)注意防止耦合噪聲對(duì) AEF 輸出的影響。表 1列出了 LM25149-Q1 的 AEF 相關(guān)引腳。

表 1. LM25149-Q1 的 AEF 相關(guān)引腳

為了提高 LM25149-Q1 中的 AEF 性能，請(qǐng)?jiān)赑CB 布局布線期間遵循以下指南：

?SENSE、INJ 和 REFAGND 布線應(yīng)平行置于沒有噪聲的層上，并盡可能靠近以盡可能減少近場(chǎng)耦合。避免各層產(chǎn)生噪聲或高壓走線。REFAGND 不應(yīng)位于 SENSE 和 INJ 布線之間。三者的布線不能位于集成電路 (IC) 下方或靠近噪聲布線或元件（例如 IC 的 VCC電容器）。

?將 REFAGND 直接布放到?jīng)]有噪聲的接地端，或是感應(yīng)/注入節(jié)點(diǎn)附近的接地端。從噪聲的角度來(lái)看，REFAGND 是最關(guān)鍵的引腳。REFAGND 引腳有噪聲時(shí)，可能會(huì)顯著影響 AEF 的性能。不要將任何電容器接地到REFAGND 引腳或 REFAGND 布線。

?還應(yīng)確保 AVSS 接地沒有噪聲，并盡可能遠(yuǎn)離 IC。不要將 AVSS 直接連接到電源控制器IC 的接地/散熱焊盤。使 AEF 偏置電源的去耦電容器一直靠近 AEFVDDA 引腳和 AVSS接地連接。

?將高頻補(bǔ)償元件 Rcomp1和 Ccomp1放置在其他 AEF 元件附近。確保接地連接遠(yuǎn)離任何噪聲源；換句話說(shuō)，不要在功率級(jí)或輸入電容器附近將該支路接地。

圖 3a 所示為不正確的 PCB 布局，其中SENSE、INJ 和 REFAGND 布線太靠近 IC 和VCC 電容器，這會(huì)向 AEF 引入耦合并影響其性能。圖 3b 所示為使用這種布局的測(cè)量結(jié)果，其中在啟用 AEF 的情況下可以看到 8MHz 到30MHz 之間的噪聲增加。

(a) AEF 不良布線布局

(b) 使用不良布局時(shí)的測(cè)量結(jié)果

圖 4 所示為有助于解決此問題的良好 PCB 布局。

圖 4：可實(shí)現(xiàn)出色 AEF 性能的適當(dāng) PCB布局示例R

通過(guò) AEF 減小尺寸和體積

LM25149-Q1 中實(shí)施的 AEF 可通過(guò)減少濾波器元件大幅降低 EMI，如圖 5 中的測(cè)量結(jié)果所示。

圖 5.使用無(wú)源濾波器和 AEF 時(shí)的差模噪聲頻譜

我們?cè)?40kHz的開關(guān)頻率、12V的輸入電壓和5V/5A的輸出條件下進(jìn)行了測(cè)量。對(duì)于該 AEF，L 為1μH，Csense為 100nF，Ccomp為1nF，Rcomp為 1k?，Ccomp1為100nF，Rcomp1為 0.5?，RDC_fb為50k?，Cinj為 470nF，阻尼網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)與 15? 電阻器并聯(lián)的 220nF 電容器。

相比之下，無(wú)源 EMI 濾波器是一個(gè)3.3μH 的差模電感器，而且并聯(lián)了兩個(gè)10μF 差模電容器和兩個(gè) 100nF 差模電容器。在 AEF 和無(wú)源濾波器解決方案之間，實(shí)現(xiàn)相同衰減下的 AEF 尺寸和體積分別減小了約50%和75%，如表 2 所示。

表 2.無(wú)源濾波器和 AEF 的尺寸和體積比較

表 2 中的估算值考慮了 AEF 所需的所有外部元件以及實(shí)際 PCB 布局的尺寸增加情況。除了密度優(yōu)勢(shì)外，AEF 還提供了一種無(wú)需大型電感器和電容器的低成本解決方案。

結(jié)論

有源 EMI 濾波器能夠出色地取代傳統(tǒng)上笨重且昂貴的無(wú)源濾波器。電力電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可利用集成到 TI汽車控制器 LM25149-Q1 中的 AEF 來(lái)應(yīng)對(duì)汽車環(huán)境中的 EMI 挑戰(zhàn)、提高功率密度并降低其電源解決方案的成本。