研究背景

開關電源的頻繁使用會產生嚴重的電磁干擾 (EMI) 噪聲，從而影響鄰近的電路和設備。無源 EMI 濾波器作為傳統的解決方案，已被廣泛用于系統設計中用來降低噪聲；但是無源器件例如電感、電容等尺寸和重量都較大，同時電感帶寬通常較低，因此在很多應用中要用到高階濾波器才能獲得足夠的衰減。隨著第三代功率半導體器件及電路拓撲的發展，無源濾波器的體積已成為提高功率密度的限制因素之一。采用有源EMI濾波器可以減小濾波電路的體積重量，這一點在功率密度敏感的系統中有很大的優勢，因此逐漸引起了業界關注。

成果簡介

本成果提出了一種新型的有源EMI濾波器（AEF）電路。該有源電路是無變壓器結構的，其理念是可以根據數學計算從阻抗的角度簡單高效地進行計算及設計。然后根據以上設計出的參數搭建了有源電路原型，并配合其他的無源EMI濾波器（PEF）電路，將其構建為一個混合 EMI 濾波器 (HEF) 模塊。實驗表明，對于50W DC-DC 1/8磚式轉換器，在滿載（10A）情況下，該混合 EMI 濾波器 (HEF) 模塊在配合使用有源電路時可以比僅使用無源濾波電路時實現10dB以上的降噪性能提升。

亮點提煉

圖1為將有源EMI濾波器（AEF）安裝在無源EMI濾波器（PEF）電路中的原理圖。該電路同時包含有源部分和無源部分，因此被稱為混合EMI濾波器（HEF），用以進行進一步的驗證和評估性能。該HEF濾波模塊的照片如圖2。

圖1?含有AEF及PEF的混合濾波（HEF）模塊原理圖

圖2?HEF濾波模塊照片

圖3為HEF濾波模塊的評估板照片，該評估板包括HEF模塊部分及磚式DC-DC電源部分。

圖3?HEF濾波模塊評估板照片

圖4為EMI測試的實驗平臺，該測試在用于測試傳導噪音的屏蔽房中進行，其中包括供電電池、LISN、評估板及阻性負載。DC/DC 直流開關電源模塊的工作條件為 Vin = 12V、Vout = 5V 和 Iout = 10A（滿載）。 12V 鉛酸電池用于提供輸入直流電源。頻譜分析儀（HMS-X，ROHDE & SCHWARZ）用于測量LISN（LI-125A COM-POWER CORPORATION）輸出端子的噪聲水平。

圖4?傳導EMI噪音測試平臺

圖5和圖6為測得的EMI噪聲頻譜。圖5中淺藍色曲線代表DC-DC電源轉換器的裸噪聲頻譜，即測量中沒有濾波器。深藍色曲線代表包含PEF和AEF的混合濾波電路模塊（HEF）后的噪聲頻譜。在低頻段（300kHz至500kHz），最大降噪幅度可達30dB以上。在高頻（約7MHz至30MHz）下，可實現約10dB的降噪。在中頻，最多有超過5dB的諧波降噪效果。

圖6為使用HEF模塊測試時，將AEF部分通電/關斷測得的EMI噪聲頻譜的比較。淺藍色曲線代表包含PEF和AEF的混合濾波電路模塊（HEF）在AEF部分斷電的情況下的噪聲頻譜，即只有PEF部件正常工作。深藍色曲線表示AEF上電時的噪聲頻譜，即HEF模塊的PEF部分和AEF部分都正常工作，與圖5中深藍色曲線相同。

圖5?混合濾波模塊及裸噪音測試結果對比

圖6?混合濾波模塊及無源濾波部分測試結果對比

結果表明，圖5中低頻段的30dB降噪主要來自PEF部分，而圖6中高頻的10dB降噪效果主要來自AEF部分。這證明了我們提出的AEF電路在高頻段的有效性。

前景與應用?

通過采用我們提出的AEF技術，可以減小EMI濾波器器件的尺寸和重量，以避免傳統無源設計中常見的過度設計。該技術也可以應用于許多其他不同的系統，例如AC/DC，DC/AC等。同時，由于檢測及注入點采用電容方式，不包含磁性器件，因此帶寬較高，尤其適用于基于第三代功率半導體的高頻高功率密度設計中進行降噪。

完成人與研究團隊介紹

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許丹婷

許丹婷，博士，香港應用科技研究院助理主任工程師，2018年加入應科院集成電路與系統部門，主要研究方向包括有源EMI濾波技術和DC/DC電路設計。她參與了多個香港政府項目和客戶項目的電力電子產品設計，擁有超過5年的R&D產品設計經驗，特別是關于負載點電源（PoL）DC-DC轉換器和有源及無源EMI濾波器的設計。曾經在國際知名電力電子期刊及會議中發表論文6篇，并申請/獲得授權美國專利6項。在加入ASTRI之前，她在2018年于香港大學電子及電機工程系取得博士學位。

香港應用科技研究院（應科院）由香港特別行政區政府于2000年成立，為港府所屬最大的研究機構，其使命是透過應用科技研究提升香港的競爭力。應科院的主要科技研發領域可歸納于四個技術部門，包括：可信及人工智能技術、通訊技術、物聯網感測與人工智能技術、集成電路及系統。而技術研發主要應用在六項重點范疇：智慧城市、金融科技、新型工業化及智能制造、數碼健康科技、專用集成電路及元宇宙。多年來，應科院致力培養研究及創科人才，并憑著其技術創新及對工商業界和社區的杰出貢獻而屢獲國際殊榮。截至2022/23年度，應科院已將接近1,400項技術轉讓給業界，并于中國內地、美國及其他國家獲授超過1,000項專利。

編輯：黃飛

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