Power-Tipp Kompaktere Stromversorgungen mit aktiven EMI-Filtern

Autor / Redakteur: Orlando Murray und Tim Hegarty * / Kristin Rinortner

Entwickler müssen Kompromisse zwischen Störfestigkeit (EMI) und Leistungsdichte eines DC/DC-Wandlers eingehen. Insbesondere bei Anwendungen im Automobilbereich ermöglicht ein aktiver Filter mit Spannungsmessung und Stromeinspeisung eine niedrige EMI-Signatur und führt zu geringerer Grundfläche und Volumen.

Firmen zum Thema

Elektromagnetische Interferenzen: Die Integration eines AEF-Schaltkreises in einen synchronen Abwärtsregler trägt dazu bei, den Kompromiss zwischen geringer elektromagnetischer Störstrahlung und hoher Leistungsdichte in DC/DC-Wandlern zu lösen.
Elektromagnetische Interferenzen: Die Integration eines AEF-Schaltkreises in einen synchronen Abwärtsregler trägt dazu bei, den Kompromiss zwischen geringer elektromagnetischer Störstrahlung und hoher Leistungsdichte in DC/DC-Wandlern zu lösen.
(Bild: Texas Instruments)

Beim Design von Anwendungen mit niedrigem Störpotenzial besteht meist auch die Forderung, die Größe einzugrenzen. Passive Front-Filter mögen zwar die Einhaltung der EMI-Standards ermöglichen, sind aber meist recht sperrig und können bis zu 30 Prozent des Gesamtvolumens einer Stromversorgung einnehmen, was der Leistungsdichte abträglich ist. Abhilfe bieten die noch relativ neuen aktiven EMI-Filter.

Bild 1: Konventionelle passive (a) und aktive Filterschaltung (b).
Bild 1: Konventionelle passive (a) und aktive Filterschaltung (b).
(Bild: TI)

In Bild 1 sind eine passive und eine aktive Filterschaltung vereinfacht dargestellt, wobei iN und ZN für die Stromquelle bzw. die Impedanz des Norton-Äquivalents für das differenzielle Rauschen eines DC/DC-Wandlers stehen.

Der aktive, mit VSCC (Voltage Sense and Current Cancellation) konfigurierte EMI-Filter in Bild 1b enthält einen als kapazitiven Multiplizierer arbeitenden Operationsverstärker anstelle des Filterkondensators (CF) im passiven Design. Mit relativ niedrigen Kapazitätswerten und entsprechend kompakten Bauelementen wird der als GOP bezeichnete Verstärkungs-Term realisiert.

In Bild 1 sind außerdem Ausdrücke für die effektiven Grenzfrequenzen der Filter angegeben. Mit kleineren Induktivitäts- und Kapazitätswerten kommt die passive Lösung auf eine ähnliche Grenzfrequenz wie die passive Lösung.

Stromversorgung: Vergleich aktiver und passiver Filterschaltungen

Interessant ist ein Vergleich passiver und aktiver Filterschaltungen für eine Stromversorgung auf Basis des synchronen Buck-Gleichspannungsreglers LM25149-Q1, der hier mit einer Schaltfrequenz von 440 kHz arbeitet und aus einer Eingangsspannung von 13,5 V einen Ausgang mit 5 V und maximal 6 A erzeugt.

Der aktive EMI-Filter erzielt im unteren bis mittleren Frequenzbereich eine deutlich bessere Filterwirkung. So reduziert sich das maximale EMI-Niveau bei 440 kHz um nahezu 50 dB, was die Einhaltung strikter EMI-Vorgaben deutlich vereinfacht.

Bild 2: Layout-Vergleich zwischen passiver (a) und aktiver Filterlösung (b).
Bild 2: Layout-Vergleich zwischen passiver (a) und aktiver Filterlösung (b).
(Bild: TI)

Bild 2 zeigt eine Gegenüberstellung der Leiterplatten-Layouts für die passive und die 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 bei angelegter Spannung deutlich verschlechtern, werden durch mehrere, stabilere 0402-Bausteine ersetzt.

Insgesamt sinkt der Flächenbedarf um nahezu 50 Prozent, das Volumen sogar um mehr als 75 Prozent.

CISPR 25: Bessere Filterung leitungsgebundener Störungen

Die Wicklungsgeometrie der mechanisch kleineren Induktivität des aktiven Filters sorgt für eine geringere parasitäre Kapazität und eine höhere Eigenresonanzfrequenz, was wiederum für bessere Filterung bei leitungsgebunden Störungen zwischen 30 und 108 MHz sorgt, die unter anderem für CISPR 25 relevant sind.

In bestimmten Automotive-Designs sind aus Gründen der Ausfallsicherheit zwei in Serie geschaltete Eingangskondensatoren erforderlich. Diesbezüglich bietet die aktive Schaltung eine zusätzliche Platzersparnis, da die 1210-Kondensatoren durch kleine Bauelemente im Format 0402 bzw. 0603 ersetzt werden, die umgehend und ohne Verknappung verfügbar sind.

* Orlando Murray arbeitet als Applikationsingenieur im Bereich Buck Switching Regulators bei Texas Instruments in Phoenix / USA. Tim Hegarty arbeitet als Applikationsingenieur im Bereich Buck Switching Regulators bei Texas Instruments in Tucson / USA.

(ID:47530785)