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功率密度是汽車車載充電器和服務器電源等高度受限系統環境中的主要指標。務必要減小電磁干擾 (EMI) 濾波器元件的體積，從而確保解決方案能夠滿足嚴苛的外形尺寸要求。
鑒于接觸電流安全要求，用于上述和其他高密度應用的共模 (CM) 濾波器通常會限制總 Y 電容大小，因此需要大尺寸共模扼流圈來實現目標轉角頻率或濾波器衰減特性。這導致了權衡后的無源濾波器設計采用笨重且昂貴的共模扼流圈，尺寸相當于整個濾波器大小。
隨著無源器件逐漸跟不上高速功率半導體器件以及電路拓撲的發展，無源濾波器的體積是提高功率密度的限制因素之一。實際的濾波器實現會占用電源解決方案總體積的 30%（如圖 1 所示）。
圖 1：3.3kW 圖騰柱功率因數校正參考設計中的傳統單相無源 EMI 濾波器
有源 EMI 濾波器 (AEF) 電路可為新一代電源管理系統實現更緊湊的濾波器解決方案。空間受限型應用可使用有源電源濾波器集成電路 (IC) 減小磁性元件的尺寸和濾波器的總尺寸。AEF 的其他優勢包括：通過降低元件功率損耗來改善熱管理并提高可靠性、減少受限空間內元件之間的耦合、簡化機械和封裝設計以及降低成本。
圖 2 和圖 3 分別為單相和三相濾波器電路的原理圖，均采用有源解決方案代替傳統的無源設計。單相 TPSF12C1-Q1 和三相 TPSF12C3-Q1 AEF IC 位于共模扼流圈之間，為共模電流提供了具有較低阻抗的分流路徑。如圖所示，有源解決方案中共模扼流圈 LCM1 和 LCM2 的電感比無源濾波器中共模扼流圈的電感低很多。
圖 2：單相無源 EMI 濾波器（頂部）和具有更低共模扼流圈電感的相應 AEF 電路（底部）
圖 3：三相無源 EMI 濾波器（頂部）和具有更低共模扼流圈電感的相應 AEF 電路（底部）
AEF
在交流線路中連接檢測和注入 Y 電容器后，該電路旨在減小濾波器的總體積，同時保持向機箱地導入低的工頻漏電流。這可以通過使用有源電路來實現，有源電路可以調節注入電容器的頻率響應，即通過實際增加容值來實現高頻率。繼而，在目標頻率范圍內用于降低 EMI 而增加的注入電容會降低共模扼流圈電感，使其低于具有類似衰減作用的無源濾波器的電感值。
使用 AEF 的電路優勢如下：
• 具有簡化的濾波器結構、寬工作頻率范圍以及高穩定性裕度（使用共模 AEF 快速入門計算器工具進行計算）。
• 具有更小的共模扼流圈尺寸，體積更小、重量更輕、成本更低。此外，還能減少扼流圈自寄生效應，從而更大程度降低銅損并實現更出色的高頻衰減性能。
• 無需額外的磁性元件。AEF 電路僅使用檢測和注入 Y 電容器，在故障狀況期間對峰值接觸電流沒有影響。
• 使用以機箱地為基準的低壓 AEF IC 可增強安全性。
• 獨立式 IC 實現可靠近濾波器元件靈活放置。
• 線電壓浪涌抗擾度有助于滿足國際電工委員會 61000-4-5 標準。
圖 2 和圖 3 中放置于兩個共模扼流圈之間的 X 電容器在電源線之間提供了一個低共模阻抗路徑，通常可達到低兆赫茲頻率。這樣，僅使用一個注入電容器，便可將電流注入到一根電源線，通常是中性線。如果三相濾波器是沒有中性線的三線系統，則將 TPSF12C3-Q1 的 SENSE4 引腳接地，并將注入電容器通過 X 電容器的星型連接進行耦合。
AEF 的實際實現
圖 4 展示了適用于圖 1 中轉換器的 AEF 實際實現方法。使用 TPSF12C1-Q1 單相 AEF IC 實現共模噪聲衰減。
圖 4：使用 AEF（額定電流為 10A）的單相濾波器評估板
圖 5 展示了禁用和啟用 AEF 時得到的 EMI 結果。
圖 5：禁用和啟用 AEF 時的 EN 55032 B 類 EMI 結果
從圖 5 中可以明顯看出，AEF 在低頻率范圍（100kHz 至 3MHz）內提供高達 30dB 的共模噪聲衰減，因此，使用兩個 2mH 納米晶扼流圈的濾波器可實現與使用兩個 12mH 扼流圈的無源濾波器設計相同的共模衰減性能。為進行公平比較，這些扼流圈均來自同一元件系列（由 Würth Elektronik 制造），并使用類似的磁芯材料。表 1 匯總了無源和有源設計適用的共模扼流圈參數，圖 6 重點展示了體積、尺寸、重量和成本節約值。
|
濾波器 設計 |
共模扼流圈 器件型號 |
數量 |
LCM1, LCM2 (mH) |
RDCR (mΩ) |
尺寸 (長×寬×高, 毫米) |
總質量 (g) |
總功率損耗 (W) (10A, 25°C) |
|
無源 |
7448051012 |
2 |
12 |
15 |
23 × 34 × 33 |
72 |
6.0 |
|
有源 |
7448031002 |
2 |
2 |
6 |
17 × 23 × 25 |
20 |
2.4 |
圖 6：通過使用 AEF 減小尺寸、體積、重量和成本 (a)；扼流圈大小比較 (b)
本例中的 AEF 在 10A 電流下可減少 60% 的總銅損（忽略繞組電阻隨溫度升高而增加），這可以降低元件工作溫度并提高可靠性。
結語
要為高密度開關穩壓器中的 EMI 濾波器級實現高效緊湊的設計具有挑戰性，對于優先考慮解決方案尺寸和成本的汽車和工業應用來說，尤其如此。有源濾波器解決方案可以抑制測得的共模噪聲，其實際效果表明，與同等的純無源濾波器設計相比，有源濾波器解決方案可以顯著減小共模扼流圈元件的體積。
其他資源
• 要了解 AEF IC 的更多信息，請訪問。
• 觀看有關有源 EMI 濾波的視頻。
• 敬請查看以下白皮書：
o “有源 EMI 電源濾波器 IC 如何在單相和三相電源系統中減輕共模發射并提高功率密度”。
o “電源的傳導 EMI 規格概述”。
• 有關圖 1 中示例（傳統濾波器設計）的更多詳細信息，請參閱高效率 GaN CCM 圖騰柱無橋功率因數校正 (PFC) 參考設計。
關于德州儀器（TI）
德州儀器（TI）（納斯達克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導體公司，致力于設計、制造、測試和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業、汽車、個人電子產品、通信設備和企業系統等市場。我們致力于通過半導體技術讓電子產品更經濟實用，創造一個更美好的世界。如今，每一代創新都建立在上一代創新的基礎之上，使我們的技術變得更小巧、更快速、更可靠、更實惠，從而實現半導體在電子產品領域的廣泛應用，這就是工程的進步。這正是我們數十年來乃至現在一直在做的事。欲了解更多信息，請訪問公司網站www.ti.com.cn。
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