汽車車載充電器與伺服器電源供應器是高度受限的系統環境，其中以功率密度為主要指標。解決方案必須減少電磁干擾 （EMI） 濾波器元件數，才能滿足嚴格的體積限制。

這類和其他高密度應用的共模 （CM） 濾波器通常會對整體 Y 電容產生與接觸電流安全要求相關的限制，因此需要大型 CM 扼流器來實現目標角頻率或濾波器衰減特性。最終結果是折衷採用被動式濾波器設計，以及體積龐大、沉重且昂貴的 CM 扼流器，佔掉濾波器整體尺寸的一大部分。

被動式元件在高速電源半導體與電路拓撲的滯後情況已有所進步，因此被動式濾波器的體積成為提升功率密度的限制因素之一。實務上濾波器配置最高可佔電源解決方案總體積的 30%，如圖 1 所示。

圖 1：3.3-kW 圖騰柱功率因數校正參考設計中的傳統單相被動式 EMI 濾波器

主動式 EMI 濾波器 （AEF） 電路可為新一代電源管理系統提供更精巧的濾波器解決方案。空間有限的應用可使用主動式電源供應器濾波器積體電路 （IC） 來縮減磁性元件與整體濾波器尺寸。AEF 的其他好處還包括降低元件功率損耗以提升熱管理性能、提高可靠性、減少密閉空間內元件間的耦合、使機械與封裝設計更容易，並可降低成本。

圖 2 和圖 3 分別是單相與三相濾波器電務的原理圖，並以主動式解決方案取代傳統被動式設計。單相 TPSF12C1-Q1 和三相 TPSF12C3-Q1AEF IC 位於 CM 扼流器間，為 CM 電流提供低阻抗分流路徑。如圖所示，相對於被動濾波器中的相同元件而言，主動式解決方案具 CM 扼流器 LCM1 與 LCM2，，電感明顯降低。

圖 2：單相被動式 EMI 濾波器 （上） 與具較低 CM 扼流器電感之對應 AEF 電路 （下）                                      

圖 3：三相被動式 EMI 濾波器 （上） 與具較低 CM 扼流器電感之對應 AEF 電路 （下）

AEF

電路將 Y 級感測與注入電容器連接至 AC 線路，目的在縮減整體濾波器體積，同時維持至底盤接地的低線路頻率漏電流值。此方式可行的原因是透過使用主動式電路將注入電容器的頻率響應成形，有效提升高頻率數值。相反的，相對於被動式濾波器值的 CM 扼流器電感，EMI 緩解相關頻率範圍內的放大注入電容器會降低並產生一定程度的衰減。

使用 AEF 的電路有以下優點：

• 濾波器架構較簡單，操作頻率範圍寬廣，且穩定性裕度高 （使用共模 AEF 快速啟動計算機工具計算）。
• CM 扼流器尺寸縮減，且體積、重量與成本皆降低。此外，也可提供明顯較低的銅耗，並藉由扼流器自我寄生降低進而提升高頻率衰減效能。
• AEF 電路只使用 Y 級感測與注入電容器且無其他磁性元件，在故障情況下對尖峰接觸電流沒有影響。
• 使用參考至底盤接地的低電壓 AEF IC 強化安全性。
• 獨立式 IC 配置可在濾波器元件附近放置時提供靈活性。
• 對線路電壓突波的抗擾度可幫助達到國際電子電機委員會 61000-4-5 標準。

圖 2 和圖 3 中介於兩個 CM 扼流器間的 X 電容器，可在電源線路間提供 CM 方面的低阻抗路徑，通常可達低 MHz 頻率。這讓電流能夠只透過一個注入電容器，注入其中一條電源線路 （通常為中性）。若三相濾波器為三線路系統且無中性線路，TPSF12C3-Q1 的 SENSE4 接腳會連接至接地，注入電容器則會透過 X 電容器的星點連接耦合。

實際 AEF 配置

圖 4 說明適合圖 1 中轉換器的實際 AEF 配置。使用 TPSF12C1-Q1 單相 AEF IC 實現 CM 雜訊衰減。

圖 4：具 10 A 下額定 AEF 的單相濾波器評估板

圖 5 說明 AEF 停用與啟用下的 EMI 結果。

圖 5：AEF 停用與起用下的 EN 55032 B 類 EMI 結果

如圖 5 所示，AEF 可在低頻率範圍 （100 kHz 至 3 MHz） 下提供最高 30 dB 的 CM 雜訊衰減，讓濾波器能夠透過兩個 2-mH 奈米晶扼流器，實現與具兩個 12-mH 扼流器的被動式濾波器設計相等的 CM 衰減性能。為公平比較，這些扼流器來自相同元件系列 （Würth Elektronik 製造），核心材料也相似。表 1 擷取適合被動與主動設計的適用 CM 扼流器參數，圖 6 則強調可降低的體積、封裝、重量與成本。

表 1：被動與主動式濾波器解決方案的 CM 扼流器參數

圖 6：以 AEF （a） 降低封裝、體積、重量與成本；扼流器尺寸比較 （b）。 

本範例中的 AEF 在 10 A 下減少 60% 總銅耗 （忽略因溫度上升所造成的繞組電阻），代表元件操作溫度降低且可靠性提升。

結論

在高密度切換穩壓器中實現精巧且有效率的 EMI 濾波器級設計非常具挑戰性，特別是解決方案尺寸與成本至上的汽車與工業應用。主動式濾波器解決方案的實務結果顯示可抑制測得的 CM 雜訊特性，代表與同等僅被動式濾波器設計相比，CM 扼流器元件體積有明顯縮減。

其他資源

• 請至 ti.com/aef 進一步了解 AEF IC。
• 觀看影片了解主動式 EMI 濾波。
• 參考技術白皮書：
  • 「主動式 EMI 電源供應器濾波器 IC 如何降低單相和三相電源系統中的共模輻射，並提升功率密度。」
  • 「電源供應器傳導式 EMI 規格概要。」
• 如需更多圖 1 中範例的傳統濾波器設計細節，請參閱高效率 GaN CCM 圖騰柱免橋接功率因數修正 （PFC） 參考設計。