電源是一切電子器件運行的基礎(chǔ)，在德州儀器（TI）看來，電源管理的主要發(fā)展方向是提高功率密度、延長電池壽命、減少電磁干擾、保持電源和信號完整性，以及高電壓下的安全性等方面。為了解決這些難題，TI主要圍繞低靜態(tài)電流、低EMI、功率密度、低噪聲和高精度以及隔離，這五大技術(shù)方向努力。
日前，TI推出了獨立式有源電磁干擾 (EMI) 濾波器集成電路TPSF12C1/3系列，正是TI在減少EMI方面所做的創(chuàng)新。
共模扼流圈影響電源尺寸
EMI全稱為Electro Magnetic Interference，指系統(tǒng)對外的干擾，EMI通常需要加以限制，以確保電子設(shè)備不要對其他造成干擾與損壞，從而影響系統(tǒng)正常工作。
噪聲主要包括了共模與差模兩類。其中，對于接入電網(wǎng)（AC）的電氣設(shè)備而言，干擾多以共模干擾為主，共模干擾本身一般不會對設(shè)備產(chǎn)生危害，但是如果共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_，干擾就嚴重了，因為有用信號都是差模信號。
為了有效降低共模干擾，需要采用LC濾波器。對于共模EMI濾波器而言，Y電容會產(chǎn)生漏電流，漏電流需要滿足安規(guī)要求，不能太大（典型的X電容值是μF級，而Y電容是nF級），因此這就需要更大的電感（共模扼流圈）。更大的扼流圈意味著體積大、重量重、效率低且價格昂貴。
選擇有源濾波器IC降低EMI
如何降低共模扼流圈的尺寸呢？其中一個辦法是選擇有源濾波器（AEF）。“有源濾波器和降噪耳機有異曲同工之處。”TI產(chǎn)品線經(jīng)理 Roja de Cande說道。
TI的獨立式有源EMI濾波器IC的工作原理為，先檢測共模噪聲，然后通過內(nèi)部運放輸出反向并放大的信號，然后將其注入到線路中，相當于放大了Y電容的等效電容，從而抵消原有的共模噪聲。Roja de Cande表示：“這既能夠有效減小漏電流，同時也能夠放大 100kHz 至 3MHz 的等效 Y 電容，進一步降低整個共模電感的感量，從而降低方案的體積和重量。”
有源EMI濾波器工作原理
如對比圖所示，采用有源濾波器之后，共模扼流圈從兩個12mH的縮小至1nH和4nH。
根據(jù)TI給出的資料對比，無論是尺寸、體積、成本、功率損耗還是面積都可以縮小近一半，并顯著增加系統(tǒng)的可靠性。
目前，TI 的有源濾波產(chǎn)品共有四款，包括針對單相和三相商業(yè)應(yīng)用的 TPSF12C1 和 TPSF12C3，以及面向汽車應(yīng)用的 TPSF12C1-Q1 和 TPSF12C3-Q1，均內(nèi)置了補償，對共模干擾有明顯改善，可在單相和三相交流電源系統(tǒng)中檢測和消除高達 30dB 的共模 EMI（頻率范圍為 100kHz 至 3MHz）。無論是在原始EMI設(shè)計中增加TI的有源EMI芯片，還是在新設(shè)計中采用，都可以顯著改善EMI表現(xiàn)。
電源系統(tǒng)的EMI設(shè)計都頗具挑戰(zhàn)，主要原因在于只有把產(chǎn)品做出來，才能測出EMI值，如果不合規(guī)，還需要不停整改。Roja de Cande強調(diào)，TI針對有源EMI濾波器提供了多種設(shè)計及仿真工具，工程師可以提前設(shè)計并預(yù)估EMI，從而簡化整個流程。
更多降低EMI的創(chuàng)新
TI將改善EMI作為其電源管理技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，因此不只是有源EMI濾波器，還開發(fā)了多項提高EMI能力的技術(shù)及產(chǎn)品。“在現(xiàn)有的系統(tǒng)設(shè)計中，客戶對于高效率、更好的熱表現(xiàn)往往會有很高的要求。電源都在越做越小，其中一個關(guān)鍵技術(shù)就是把開關(guān)頻率越推越高，這樣可以大大減小磁性元件和輸出電容，但是在推高開關(guān)頻率之后，EMI 就會變成翹翹板的另外一端，它就會被抬高。”Roja de Cande說道。因此改善EMI的技術(shù)及產(chǎn)品是電源高性能、高功率密度的關(guān)鍵之一。
實際上，TI此前就開發(fā)了有源EMI濾波器，并將其集成至DC/DC中實現(xiàn)差模濾波。客戶對共模濾波的要求更高，因此TI開發(fā)了此款有源EMI濾波器，以提高AC/DC產(chǎn)品的抗EMI能力。可廣泛應(yīng)用于包括車載充電器、企業(yè)級服務(wù)器、通信電源、工廠自動化、樓宇自動化以及航空航天等所有需要EMI抑制的場景中。
除了有源EMI濾波技術(shù)之外外，TI降低EMI的方法還包括雙隨機擴頻技術(shù)、集成旁路電容、集成變壓器、改善封裝、壓擺率控制等多項創(chuàng)新，并均已成功商用。
談及未來的產(chǎn)品規(guī)劃，Roja de Cande透露有源EMI濾波器還將不斷拓展至包括共模、差模的DC/AC產(chǎn)品以及DC/DC的共模產(chǎn)品等。 |
