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如何實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源EMI衰減？有源濾波可以解決
日期：2025-01-04 17:48
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摘要：由開關(guān)拓?fù)涔β势骷?即使是小功率器件)所產(chǎn)生的噪聲所引起的電磁干擾(EMI)，是一個(gè)持續(xù)存在的問題。噪聲不僅會(huì)影響其直接電路負(fù)載，而且傳導(dǎo)EMI和輻射EMI還會(huì)損壞附近的電路如果涉及低電壓傳感器，這兩種情況都特別嚴(yán)重。
由開關(guān)拓?fù)涔β势骷?即使是小功率器件)所產(chǎn)生的噪聲所引起的電磁干擾(EMI)，是一個(gè)持續(xù)存在的問題。噪聲不僅會(huì)影響其直接電路負(fù)載，而且傳導(dǎo)EMI和輻射EMI還會(huì)損壞附近的電路——如果涉及低電壓傳感器，這兩種情況都特別嚴(yán)重。
來自各種監(jiān)管機(jī)構(gòu)的許多標(biāo)準(zhǔn)都定義了在規(guī)定條件下所測量的EMI的*大容限。*常被引用的監(jiān)管規(guī)定是面向汽車應(yīng)用的CISPR 25和面向多媒體設(shè)備的CISPR 32，但也還有其他規(guī)定(CISPR是國際無線電干擾特別委員會(huì)的縮寫)。
毫不奇怪，沒有哪個(gè)單一“*佳”技術(shù)，可以*小化EMI并使其保持在監(jiān)管限制以及負(fù)載可承受的范圍以內(nèi)。解決方案通常是噪聲頻率的函數(shù)，以及需要實(shí)現(xiàn)多少衰減，并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(shù)是針對(duì)違規(guī)開關(guān)電源設(shè)計(jì)本身的內(nèi)部技術(shù)(圖1)。
圖1：抑制傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲沒有單一、簡單的解決方案；根據(jù)噪聲的頻率和幅度，需要使用一種或多種技術(shù)。(圖片來源：德州儀器)
即便如此，通常仍然需要加外部濾波，并且通常是以無源濾波器拓?fù)涞男问接呻娮?、電感和電?RLC)所組成。但是這種濾波器的性能及其大部分無源元件都存在限制。
除了標(biāo)準(zhǔn)無源濾波器之外，還有其他方案，例如“有源濾波”，德州儀器(TI)將其集成到了其LM25149同步降壓DC/DC控制器中。有源濾波有點(diǎn)類似于耳機(jī)甚至某些汽車中所使用的有源消噪——在這種情況下，是將與不期望的信號(hào)大小相等、方向相反的信號(hào)添加到信號(hào)加噪聲中，從而產(chǎn)生相當(dāng)好的消噪效果。然而，噪聲是非電子的，必須通過麥克風(fēng)捕捉，這就帶來了許多復(fù)雜的問題。
相比之下，開關(guān)電源的EMI已經(jīng)是電子形式，因此更容易捕獲、反轉(zhuǎn)和消除。在有源濾波的情況下，我們(或電路)對(duì)噪聲的細(xì)節(jié)了解得越多——除了其幅度、頻率和概率分布等一般特征以外——開發(fā)方案來對(duì)抗它就越容易。
雖然這看起來像是一個(gè)電源與噪聲的場景，但它屬于更廣泛的信號(hào)理論主題。使用H.L. Van Trees在他滿是經(jīng)典方程的三卷教科書系列“Detection, Estimation, and Modulation Theory(檢測、估計(jì)和調(diào)制理論)”中所分析的分類，這是具有已知信號(hào)(此處為平坦電壓輸出.軌)和已知噪聲(具有已知頻率范圍和一般特性的相關(guān)EMI噪聲)的一個(gè)案例。因此，它是*適合實(shí)現(xiàn)成功解決方案的信號(hào)與噪聲挑戰(zhàn)類型。
在這種情況下，有源濾波的好處是減少了有源濾波DC/DC解決方案的整體體積，主要是因?yàn)榈窒娐分恍枰褂眯〉枚嗟臒o源濾波器，而不是較大的“蠻力”無源濾波器(圖2)。德州儀器提供了顯示*終濾波性能的數(shù)據(jù)和圖表(參考文獻(xiàn)2和3)。
圖2：雖然常用的無源濾波器(a)可以提供足夠的降噪，但有源濾波器(b)使用較小的無源元件就可以做到這一點(diǎn)，從而大大減少了占板面積和體積。(圖片來源：德州儀器)
請注意，有源濾波器和有源濾波這兩個(gè)詞組之間存在一些混淆的可能性。工程師都很熟悉無源濾波器，顧名思義，它實(shí)現(xiàn)了RLC拓?fù)洹?duì)于許多電子工程師來說，僅僅提到濾波器——尤其是無源濾波器——就會(huì)使他們回想起諸如巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾、橢圓(Cauer)、高斯和Sallen-Key等神秘方程和拓?fù)洌鞘橇硪换厥铝恕?/span>
相比之下，有源濾波器使用放大器(運(yùn)算放大器)來設(shè)置濾波器響應(yīng)的增益和相位。與無源濾波器相比，有源濾波器具有許多其他功能優(yōu)勢，例如高輸入阻抗和低輸出阻抗，從而在級(jí)與級(jí)之間提供良好的隔離。這極大地簡化了級(jí)聯(lián)多個(gè)級(jí)來改善濾波器特性的情況。然而，有源濾波器(名詞)仍然只是一個(gè)沒有反向消噪通路的正向信號(hào)通路濾波器。它與有源濾波(動(dòng)詞)不同。
