利用主動濾波衰減開關電源EMI

作者 : Bill Schweber,EE Times/EDN/Planet Analog資深技術編輯

您是否曾經使用過諸如主動濾波之類的先進方法?您對期望的訊號和相關雜訊又了解多少?最後結果是否如您預期的一樣好,或者「現實世界」的不完美會影響所取得的性能?

由開關拓撲功率元件(即使是小功率元件)產生雜訊而引發電磁干擾(EMI),一直是個持續存在的問題。雜訊不僅影響其直接電路負載,而且傳導EMI和輻射EMI都會損壞附近的電路——如果涉及低電壓感測器,這兩種情況還會特別嚴重。

來自各監管機構的許多標準都定義了在規定條件下所測量的EMI最大允許限值。最常被引用的監管規定是針對汽車應用的CISPR 25,以及多媒體設備的CISPR 32,當然還有其他規定。CISPR是國際無線電干擾特別委員會(Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques)的縮寫。

這一點都不奇怪,畢竟沒有單一種「最佳」技術可以最小化EMI,並將其保持在監管限制以及負載可承受的範圍。解決方案通常是雜訊頻率的函數,以及需要實現多少衰減,並且通常需要使用兩種或多種方法的組合。其中一些降噪技術是針對違規開關電源設計本身的內部技術(1)。

chart showing noise reducing techniques 1:沒有單一簡單的解決方案能夠抑制各種傳導和輻射雜訊;根據雜訊的頻率和幅度,通常需要使用一種或多種技術。圖片來源:Texas Instruments

即便如此,仍然需要外部濾波,而且通常是以主動濾波器拓撲的形式由電阻、電感和電容(RLC)所組成。但是這種濾波器的性能及其大部份被動元件都存在限制。

除了標準的被動濾波器,還有其他方案,例如「主動濾波」(active filtering),德州儀器(Texas Instruments;TI)正以此整合於其LM25149同步降壓DC/DC控制器。主動濾波有點類似於耳機或甚至某些汽車中所使用的主動式雜訊消除——在這種情況下,將與不期望的訊號相等且相反的訊號添加到訊號與雜訊中,產生了相當好的雜訊消除效果。然而,雜訊是非電子的,必須經由麥克風捕捉,這就帶來了許多複雜的問題。

相對地,開關電源的EMI已經是電子形式,因此更容易捕捉、反轉和消除。在主動濾波的情況下,我們(或電路)越了解雜訊的細節——除了其幅度、頻率和概率分佈等一般特徵以外——就越容易開發有效對抗的方案。

雖然這看起來像是一個電源與雜訊的場景,但它屬於更廣泛的訊號理論主題。使用HL Van Trees在他滿是經典方程式的三卷教科書系列‘Detection, Estimation, and Modulation Theory’(檢測、估計和調變理論)中所分析的分類,這是具有已知訊號(此處為平坦電壓輸出軌)和已知雜訊(具有已知頻率範圍和一般特性的相關EMI雜訊)的一個案例。因此,它是最適合實現成功解決方案的訊號與雜訊挑戰類型。

在這種情況下,主動濾波的好處是減少了主動濾波DC/DC解決方案的整體體積,主要是因為抵消電路只需要使用小得多的被動濾波器,而不是較大的「蠻力」被動濾波器(圖2)。TI為此提供了顯示最終濾波性能的數據和圖表。

comparison of two PCB layout designs for a passive and active filter2:雖然常用的被動濾波器(a)可以提供足夠的降噪,但主動濾波器(b)使用較小的被動元件就可以做到這一點,從而大幅減少了佔位面積和體積。圖片來源:Texas Instruments

請注意,主動濾波器和主動濾波這兩個詞語之間可能存在一些混淆。工程師都很熟悉被動濾波器,顧名思義,它實現了RLC拓撲。但對於許多電子工程師來說,僅僅提到濾波器——尤其是被動濾波器——就會使他們回想起諸如巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、貝塞爾(Bessel)、橢圓(Cauer)、高斯(Gaussian)和Sallen-Key濾波器等神秘方程式和拓撲,但那又是另一回事了。

相形之下,主動濾波器使用放大器(運算放大器)來設置濾波器響應的增益和相位。相較於被動濾波器,主動濾波器具有許多其他功能優勢,例如高輸入阻抗和低輸出阻抗,從而在級與級之間提供良好的隔離。這極大地簡化了對多級的級聯,從而改善濾波器特性。然而,主動濾波器(名詞)仍然只是一個沒有反向消除雜訊路徑的正向訊號路徑濾波器。它與主動濾波(動詞)並不相同。

您是否曾經使用過諸如主動濾波之類的先進方法?您對期望的訊號和相關雜訊又了解多少?最後結果是否如您預期的一樣好,或者「現實世界」的不完美會影響所取得的性能?

(參考原文:Active filtering: Attenuating switching-supply EMI,by Brian Dipert)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年7月號雜誌

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