Особливості використання активних фільтрів кондуктивних електромагнітних завад

У статті наведена коротка інформація про особли­вості активних фільтрів для послаблення рівня електромагнітних кондуктивних завад. Показано, що використання таких фільтрів ефективне в області частот до 200 кГц.

В. Макаренко

Як відмінна альтернатива традиційним громізд­ким і дорогим пасивним фільтрам кондуктивних електромагнітних завад (ЕМЗ) в пропонується використовувати активні фільтри (AEF – Active Elect­romagnetic Interference Filters), що дозволяють зни­зити вартість рішень для зниження рівня завад, створюваних імпульсними джерелами живлення. За інформаціє авторів у джерелах наведені дані про приблизне зменшення розміру фільтрів ЕМЗ на 50% у порівнянні з пасивними фільтрами.

Більшість AEF використовують активні схеми на основі операційного підсилювача (ОП) для визна­чення рівня завад та введення відповідного сигналу компенсації для зменшення електромагнітних за­вад. Щоб досягти найкращої продуктивності з таким типом AEF, схеми операційних підсилювачів повинні бути стабільними, а операційний підсилювач не по­винен насичуватися. В іншому випадку AEF матиме гіршу продуктивність і навіть може ввести додатко­вий шум у систему .

На рис. 1 наведені схеми підключення AEF між джерелом живлення (ZL) та імпульсним перетворю­вачем (Zs+Vs), що є джерелом завад. На рис. 1 вве­дені наступі позначення:

• Cin – вхідний конденсатор імпульсного перетво­рювача
• Cpar- паразитна ємність між проводом живлен­ня та загальним (землею)
• Csen- конденсатор через який завади попада­ють на вхід ОП
• Cinj- конденсатор через який вводиться ком­пенсуюча напруга у повід зв’язку з джерелом жив­лення
• Ccomp- конденсатор компенсації для усунення нестабільного режиму роботи при зсуві фаз у петлі підсилення близько 180°
• RDCjb— резистор зворотного зв’язку за постій­ним струмом
• Rcomp- резистор кола компенсації зсуву фаз у петлі підсилення близько 180°.

Рис. 1.  Основна схема активного фільтра ЕМЗ (а) та з колами компенсації (б)

Принцип дії активного фільтру доволі простий. Напруга завад надходить на інвертуючий вхід ОП че­рез конденсатор Csen і в протифазі через конденса­тор Cinj подається у лінію зв’язку між джерелом жив­лення та імпульсним перетворювачем.

Для того, щоб уявити амплітудно-частотну ха­рактеристику такого фільтру необхідно провести моделювання його роботи. На рис. 2 наведена мо­дель Ltspice для дослідження активного фільтра без кіл компенсації зі значеннями параметрів з . До моделі додано коло еквівалента мережі згідно з ви­могами стандарту CISPR25.

Рис. 2. Модель для дослідження активного фільтра без кіл компенсації

На рис. 3 наведені АЧХ фільтра V(aef) та АЧХ на виході еквівалента мережі V(cispr).

Рис. 3. АЧХ і ФЧХ фільтра V(aef) та АЧХ і ФЧХ на виході еквівалента мережі V(cispr)

Перевіримо ефективність використання стан­дартного фільтра з понижувальним перетворюва­чем (рис. 4) при аналізі рівня кондуктивних завад з результатами роботи активного фільтра.

Рис. 4. Понижувальний перетворювач 12/5 В з рекомендованим виробником фільтром

Результат аналізу спектру кондуктивних завад на виході еквівалента мережі наведений на рис. 5.

Рис. 5. Спектр кондуктивних завад понижувального перетворювача

На рис. 6 наведено модифікований вузол фільтра, а на рис. 7 – результат аналізу при використанні за­мість рекомендованого активного фільтра ЕМЗ, на­веденого на рис. 6.

Рис. 6. Модифікація вузла фільтра моделі наведеної на рис. 4

Порівнюючи спектри на рис. 5 та 7 можна зроби­ти висновок про те, що рівень завад в низькочастот ній частині спектру знизився майже на 100 дБмкв. Викид у спектрі на частоті 1,5 кГц (рис. 5) зумовле­ний резонансом контуру, утвореного елементами L1, C1.

Рис. 7. Спектр кондуктивних завад при використанні активного фільтра на рис. 6

На рис. 5 та 7 червоними лініями позначені при­пустимі рівні кондуктивних завад у відповідності зі стандартом CISPR25 . З рис. 5 випливає що фільтр, рекомендований виробником, повністю за­безпечує відповідність стандарту. При використанні активного фільтру відбувається значне зниження рівня завад в області частот до 200-300 Гц, а на ча­стотах вище 300 кГц складові спектру не тільки не послаблюються, а навіть збільшується їх рівень. Це пояснюється тим, що на частотах вище 300 кГц фа­зовий зсув фільтра починає зростати. В результаті на частотах вище 300 кГц послаблення складових кондуктивної завади зменшується при зростанні ча­стоти.

Якщо замість конденсатора паразитної ємності С1 встановити конденсатор 22 мкФ, то спектр зава­ди приймає вигляд наведений на рис. 8.

Рис. 8. Спектр завади при використанні активного фільтру і конденсатора С1 ємністю 22 мкФ

Як випливає з рис. 8 рівень складових, зу­мовлених частотою комутації ключів, знизився на 50 дБмкв. Але з’явився викид у спектрі на частоті приблизно 50 кГц. Частота резонансу розрахована за формулою:

співпадає з виміряним значенням.

На рис. 9 наведені моделі та відповідні їм АЧХ фільтрів з різними значеннями ємності С1.

а)

б)

Рис. 9. Модель фільтра та його АЧХ при значенні С1, рівним 22 мкФ (а) та 5 пФ (б)

Порівнюючи АЧХ при значення ємності С1 22 мкФ та 5 пФ, можна зробити висновок про те, що швид­кість спаду АЧХ при С1=22 мкФ в 2 рази більша ніж при ємності 5 пФ, що і призводить до послаблення високочастотних складових спектру. Аналогічні ре­зультат отримаємо при використання високочастот­ного ОП.

Отже, для того, щоб послабити складові з часто­тою комутації ключів, треба додавати конденсатор, підключений між котушкою індуктивності та актив­ним фільтром. Котушка та конденсатор утворюють фільтр нижніх частот. Але на частоті резонансу буде спостерігатись викид АЧХ, величина якого залежить від добротності котушки. Тому виробник рекоменду­вав шунтувати котушку резистором (рис. 4), що при­зводить до зменшення викиду АЧХ.

При зменшенні індуктивності L1 до 0.1 мкГн от­римаємо спектр, наведений на рис. 10. Зменшення індуктивності котушки фільтра призводить до змен­шення часу перехідного процесу при включенні дже­рела живлення. Але завада з частотою комутації ключів не зменшується, оскільки частота зрізу ФНЧ, утвореного елементами L1, С1 підвищилась і зага­сання на частоті 600 кГц (частоті комутації ключів пе­ретворювача) зменшилось.

Рис. 10. Спектр кондуктивних завад при використанні активного фільтру і L1 = 0.1 мкГн

Щоб послабити ВЧ складові, треба розрахувати частоту зрізу (частоту резонансу) фільтру L1C1 так, щоб на частоті завади було потрібне загасання. При збільшенні індуктивності чи ємності у 4 рази, часто­та зрізу знизиться у 2 рази, а загасання ВЧ-складо- вих кондуктивної завади збільшиться на 10-12 дБ. На рис. 11 наведений спектр завади при індуктив ності L1 = 2 мкГн.

З рис.11 випливає, що збільшення індуктивності у 4 рази призвело до зменшення рівня завад на 10 дБ, у порівнянні зі спектром на рис. 8 (L1 = 0.485 мкГн).

Використання високочастотних ОП при частоті комутації ключів до 1 МГц недоцільно, оскільки при­зводить до утворення великої кількості паразитних складових. На рис. 12 наведено спектр завади при значенні L1 = 2 мкГн і використанні ОП LT1223 зі сму­гою одиничного підсилення 100 МГц. Для порівнян­ня смуга одиничного підсилення ADA4077 складає 3.6 МГц.

Рис. 11. Спектр кондуктивних завад при використанні активного фільтру і L1 = 2 мкГн

Рис. 12. Спектр кондуктивних завад при використанні активного фільтру і L1 = 2 мкГн і ОП LT1223

Дещо по іншому поводиться схема з активним фільтром при збільшенні частоти комутації ключів до 2 МГц. Для встановлення частоти комутації 2 МГц необхідно опір резистора R1 у схемі перетворювача (рис. 4) збільшити до 100 кОм. Спектр завади, отри­маний при використанні ОП ADA4077 і індуктивності котушки L1 = 0.485 мкГн, наведено на рис. 13.

Результат аналізу спектру свідчить про неефек­тивність використання активного фільтру при часто­ті комутації ключів 2 МГц. Якщо порівняти спектри на рис. 13,а та 13,б,то висновок однозначний – актив­ний фільтр практично не призводить до зменшення рівня завад.

Перевіримо ефективність використання актив­ного фільтру на частотах комутації ключів перетво­рювача на частоті 200 кГц. На рис. 14 наведено спектр завад при використанні активного фільтру з ОП ADA4077 при значенні ємності С1 рівному 5 пФ (рис. 14,а) та 22 мкФ (рис. 14,б).

З рис. 14 випливає що активний фільтр послаб­лює низькочастотні компоненти завади при відсут­ності великої ємності на його вході. Однак високоча­стотні складові завади, починаючи з частоти кому­тації ключів послаблюються тільки при наявності єм­ності декілька десятків мкФ на його вході.

Рис. 13. Спектр кондуктивних завад без активного фільтру (а) та при використанні активного фільтру і L1 = 0.485 мкГн, ОП ADA4077 при С1 = 5 пФ (б) та 22 мкФ (в)

З проведених дослідів можна зробити висновок про специфічні особливості активних фільтрів по­слаблення АМЗ. Такі фільтри доцільно використову­вати при необхідності послаблення завад в діапазо­ні від 1 до 200 кГц. На більш високих частотах ефек­тивність використання таких фільтрів практично від­сутня.

Рис. 14. Спектр кондуктивних завад з активним фільтром при ємності С1 = 5пФ (а) та  С1 = 22 мкФ (б)

ЛІТЕРАТУРА

1. Yongbin Chu, Yogesh Ramadass How to ensure the stability and performance of an active EMI filter. / Analog Design Journal, 1Q, 2022. p. 1-4. / https://www.ti.com/lit/an/slyt823/slyt823.pdf?ts=1717 994093680
2. Murray, Orlando. How to reduce EMI and shrink power-supply size with an integrated active EMI filter. TI E2E™ design support forums technical article, April 5, 2021.
3. Texas Instruments: Active EMI filters to reduce size and cost of EMI filters in automotive systems.
4. Timothy Hegarty. The engineer’s guide to EMI in DC-DC Converters (Part 1): Standards requirements and measurement techniques. How2Power Today, De­cember 2017. /
5. http://www.how2power.com/pdf_view.php?url=/newsletters/1712/articles/H2PToday1712_design_TexasIn- strume nts_Part%201.pdf .