Using a Commercial Active Filter to Enhance a Passive Electromagnetic Interference Filter

Abstract

This thesis tests the feasibility of using a commercial active common-mode EMI filter integrated circuit, TPSF12C3-Q1, to enhance the performance of a typical passive filter. For this purpose, three different filters were built using the active EMI filter, and one passive filter was built to serve as the baseline. The filters containing the active EMI filter tested three different possibilities: purely increasing the insertion loss, reducing common-mode inductance requirement, and reducing the required Y-capacitance.

Originally, the filters were supposed to be tested using a real power converter, however due to limitations related to the available measuring equipment along with the problems with the converter, these measurement results were unusable. Therefore, the active filter's performance was analyzed according to CISPR 17 asymmetrical insertion loss measurement method with 50 ohm load and source impedances. However, the measurement range of these measurements was limited due to background noise.

According to the CISPR 17 measurement, the active filter was able to increase the filter's insertion loss by 25dB to 33dB at frequencies between 150kHz and 600kHz, reduce the size of one of the two common-mode chokes from 1.4mH to 48.6µH, and reduce total the Y-capacitance by 29.7%. However, the validity of these results are somewhat questionable, because CISPR 17 measurements do not necessarily represent real world use cases.

During the filter designs, two major limiting factors for the active filters were found. Firstly, the incoming noise must be attenuated below certain level to prevent the active filter from going into saturation. Secondly, the active filter requires large enough common-mode chokes on the both sides of it to prevent different load and noise source impedance's from affecting it. Either of these factors could mean that the overall active filter size would be larger than similarly performing passive filter.

Tässä opinnäyte työssä testattiin mahdollisuutta käyttää kaupallista aktiivi EMI-suotinta, TPSF12C3-Q1, passiivisen EMI-suotimen parantamiseen. Tätä varten kehitettiin kolme eri aktiivi suotinta, sekä yksi passiivi suotin perustason määrittämiseksi. Kolme aktiivi suotinta testasivat kolmea eri parannus mahdollisuutta: siirtohäviön parantamista, yhteismuotoisen induktanssin pienentämistä, sekä Y-kapasitanssin vähentämistä.

Alun perin suotimet oli tarkoitus testata virtalähteellä, mutta mittalaite rajoitusten, sekä virtalähteen kanssa olleiden ongelmien takia, nämä mittaustulokset olivat käyttökelvottomia. Tämän takia analyysi jouduttiin suorittamaan CISPR 17 asymmetrisen siirtohäviö mittausten perusteella, joissa käytettiin 50 ohmin kuorma ja lähtö impedanssia. Ikävä kyllä, näiden mittausten mittausalue oli rajoitettu taustahäiriöiden seurauksena.

CISPR 17 mittausten perusteella, aktiivi suotin kykeni parantamaan siirtohäviötä 25dB ja 33dB väliltä 150kHz ja 600kHz välisellä taajuus alueella. Se kykeni myös pienentämään toisen yhteismuotoisen kuristimen induktanssia 1.4mH:rystä 48.6µH:ryyn, sekä pienentämään suotimen kokonais Y-kapasitanssia 29.7%. Näissä tuloksissa pitää kuitenkin huomioida että CISPR 17 ei välttämättä vastaa oikeita käyttö tilanteita.

Suotinten kehityksen aikana, aktiivi suotimesta löydettiin kaksi suurta rajoitetta. Ensimmäinen rajoite on että EMI täytyy vaimentaa tarpeeksi pieneksi ennen aktiivi suotinta, jotta aktiivi suotin ei mene saturaatioon. Toinen rajoite on että aktiivi suotin vaatii kaksi tarpeeksi suurta yhteismuotoista kuristinta sen molemmin puolin, jotta kuorma ja häiriö lähde impedanssit eivät vaikuta sen toimintaan. Näiden rajoitteiden seurauksena, aktiivisesta suotin voi olla passiivista suotinta suurempi.