电源是一切电子器件运行的基础,在德州仪器(TI)看来,电源管理的主要发展方向是提高功率密度、延长电池寿命、减少电磁干扰、保持电源和信号完整性,以及高电压下的安全性等方面。为了解决这些难题,TI主要围绕低静态电流、低EMI、功率密度、低噪声和高精度以及隔离,这五大技术方向努力。
日前,TI推出了独立式有源电磁干扰 (EMI) 滤波器集成电路TPSF12C1/3系列,正是TI在减少EMI方面所做的创新。
共模扼流圈影响电源尺寸
EMI全称为Electro Magnetic Interference,指系统对外的干扰,EMI通常需要加以限制,以确保电子设备不要对其他造成干扰与损坏,从而影响系统正常工作。
噪声主要包括了共模与差模两类。其中,对于接入电网(AC)的电气设备而言,干扰多以共模干扰为主,共模干扰本身一般不会对设备产生危害,但是如果共模干扰转变为差模干扰,干扰就严重了,因为有用信号都是差模信号。
为了有效降低共模干扰,需要采用LC滤波器。对于共模EMI滤波器而言,Y电容会产生漏电流,漏电流需要满足安规要求,不能太大(典型的X电容值是μF级,而Y电容是nF级),因此这就需要更大的电感(共模扼流圈)。更大的扼流圈意味着体积大、重量重、效率低且价格昂贵。
选择有源滤波器IC降低EMI
如何降低共模扼流圈的尺寸呢?其中一个办法是选择有源滤波器(AEF)。“有源滤波器和降噪耳机有异曲同工之处。”TI产品线经理 Roja de Cande说道。
TI的独立式有源EMI滤波器IC的工作原理为,先检测共模噪声,然后通过内部运放输出反向并放大的信号,然后将其注入到线路中,相当于放大了Y电容的等效电容,从而抵消原有的共模噪声。Roja de Cande表示:“这既能够有效减小漏电流,同时也能够放大 100kHz 至 3MHz 的等效 Y 电容,进一步降低整个共模电感的感量,从而降低方案的体积和重量。”
有源EMI滤波器工作原理
如对比图所示,采用有源滤波器之后,共模扼流圈从两个12mH的缩小至1nH和4nH。
根据TI给出的资料对比,无论是尺寸、体积、成本、功率损耗还是面积都可以缩小近一半,并显著增加系统的可靠性。
目前,TI 的有源滤波产品共有四款,包括针对单相和三相商业应用的 TPSF12C1 和 TPSF12C3,以及面向汽车应用的 TPSF12C1-Q1 和 TPSF12C3-Q1,均内置了补偿,对共模干扰有明显改善,可在单相和三相交流电源系统中检测和消除高达 30dB 的共模 EMI(频率范围为 100kHz 至 3MHz)。无论是在原始EMI设计中增加TI的有源EMI芯片,还是在新设计中采用,都可以显著改善EMI表现。
电源系统的EMI设计都颇具挑战,主要原因在于只有把产品做出来,才能测出EMI值,如果不合规,还需要不停整改。Roja de Cande强调,TI针对有源EMI滤波器提供了多种设计及仿真工具,工程师可以提前设计并预估EMI,从而简化整个流程。
更多降低EMI的创新
TI将改善EMI作为其电源管理技术发展的一个重要方向,因此不只是有源EMI滤波器,还开发了多项提高EMI能力的技术及产品。“在现有的系统设计中,客户对于高效率、更好的热表现往往会有很高的要求。电源都在越做越小,其中一个关键技术就是把开关频率越推越高,这样可以大大减小磁性元件和输出电容,但是在推高开关频率之后,EMI 就会变成翘翘板的另外一端,它就会被抬高。”Roja de Cande说道。因此改善EMI的技术及产品是电源高性能、高功率密度的关键之一。
实际上,TI此前就开发了有源EMI滤波器,并将其集成至DC/DC中实现差模滤波。客户对共模滤波的要求更高,因此TI开发了此款有源EMI滤波器,以提高AC/DC产品的抗EMI能力。可广泛应用于包括车载充电器、企业级服务器、通信电源、工厂自动化、楼宇自动化以及航空航天等所有需要EMI抑制的场景中。
除了有源EMI滤波技术之外外,TI降低EMI的方法还包括双随机扩频技术、集成旁路电容、集成变压器、改善封装、压摆率控制等多项创新,并均已成功商用。
谈及未来的产品规划,Roja de Cande透露有源EMI滤波器还将不断拓展至包括共模、差模的DC/AC产品以及DC/DC的共模产品等。