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Entwickler müssen Kompromisse zwischen Störfestigkeit (EMI) und der Leistungsdichte eines DC/DC-Wandlers eingehen. Insbesondere im Automobilbereich ermöglicht ein aktives Filter mit Spannungsmessung und Stromeinspeisung eine niedrige EMI-Signatur und führt zu einem geringeren Footprint und Volumen.
Bei der Auslegung von Anwendungen mit geringem Störpotential besteht meist auch die Anforderung, die Baugröße zu begrenzen. Passive Frontfilter ermöglichen möglicherweise die Einhaltung von EMI-Standards, sind jedoch normalerweise ziemlich sperrig und können bis zu 30 Prozent des Gesamtvolumens eines Netzteils einnehmen, was der Leistungsdichte abträglich ist. Abhilfe schaffen die relativ neuen aktiven EMI-Filter.
Abb. 1: Konventionelle passive (a) und aktive Filterschaltung (b). (Bild: TI)
In Bild 1 sind vereinfacht eine passive und eine aktive Filterschaltung dargestellt, wobei iN und ZN für die Stromquelle und die Impedanz des Norton-Äquivalents für das Differenzrauschen eines DC/DC-Wandlers stehen.
Der mit VSCC (Voltage Sense and Current Cancellation) konfigurierte aktive EMI-Filter in Abbildung 1b enthält einen Operationsverstärker, der als kapazitiver Multiplikator anstelle des Filterkondensators (CF) in einem passiven Design arbeitet. Der als GOP bezeichnete Verstärkungsterm wird mit relativ geringen Kapazitätswerten und entsprechend kompakten Bauelementen realisiert.
In Abbildung 1 sind auch Ausdrücke für die effektiven Grenzfrequenzen der Filter angegeben. Bei kleineren Induktivitäts- und Kapazitätswerten hat die passive Lösung eine ähnliche Grenzfrequenz wie die passive Lösung.
Interessant ist der Vergleich passiver und aktiver Filterschaltungen für ein Netzteil auf Basis des synchronen Buck-Gleichspannungsreglers LM25149-Q1, der hier mit einer Schaltfrequenz von 440 kHz arbeitet und eine Leistung von 5 V und maximal 6 A aus eine Eingangsspannung von 13,5 V. .
Der aktive EMI-Filter erzielt eine deutlich bessere Filterwirkung im unteren bis mittleren Frequenzbereich. Dadurch wird der maximale EMI-Pegel bei 440 kHz um fast 50 dB reduziert, was die Einhaltung strenger EMI-Spezifikationen deutlich vereinfacht.
Abbildung 2: Layoutvergleich zwischen passiver (a) und aktiver Filterlösung (b). (Bild: TI)
Abbildung 2 zeigt einen Vergleich der Leiterplattenlayouts für die passive und aktive Filterschaltung. Nicht nur die Größe der Induktivität verringert sich von 5 mm x 5 mm auf 4 mm x 4 mm. Auch die beiden 1210-Kondensatoren, deren Werte sich beim Anlegen von Spannung deutlich verschlechtern, werden durch mehrere, stabilere 0402-Komponenten ersetzt.
Insgesamt sinkt der Platzbedarf um fast 50 Prozent und das Volumen um mehr als 75 Prozent.
Die Wicklungsgeometrie der mechanisch kleineren Induktivität des aktiven Filters sorgt für eine geringere parasitäre Kapazität und eine höhere Eigenresonanzfrequenz, was wiederum eine bessere Filterung leitungsgebundener Störungen zwischen 30 und 108 MHz sicherstellt, was unter anderem für CISPR 25 relevant ist.
Bei bestimmten Automobilkonstruktionen sind aus Gründen der Zuverlässigkeit zwei in Reihe geschaltete Eingangskondensatoren erforderlich. Hier bietet die aktive Schaltung eine zusätzliche Platzersparnis, da die 1210 Kondensatoren durch kleine Bauteile im Format 0402 oder 0603 ersetzt werden, die sofort und ohne Engpässe verfügbar sind.
* Orlando Murray arbeitet als Anwendungsingenieur im Geschäftsbereich Buck Switching Regulators bei Texas Instruments in Phoenix / USA. Tim Hegarty arbeitet als Anwendungsingenieur im Geschäftsbereich Buck Switching Regulators bei Texas Instruments in Tucson / USA.
Erster Abwärtsregler mit integriertem aktivem EMI-Filter
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