Nhiễu điện từ (EMI) từ lâu đã là một thách thức dai dẳng trong hoạt động của thiết bị điện tử, ảnh hưởng đến cả sự ổn định của thiết bị phát và các thiết bị xung quanh. Công nghệ lọc EMI chủ động đã nổi lên như một giải pháp sáng tạo, chủ động giảm hoặc loại bỏ các nhiễu điện từ để tăng cường hiệu suất tương thích điện từ (EMC).

Lọc EMI truyền thống dựa vào các linh kiện thụ động như điện trở (R), tụ điện (C) và cuộn cảm (L) được sắp xếp theo cấu hình RC, LC hoặc RLC. Mặc dù các bộ lọc thụ động này mang lại sự đơn giản và hiệu quả về chi phí, nhưng chúng có những hạn chế trong một số ứng dụng nhất định—đặc biệt là về kích thước vật lý và hiệu suất cụ thể theo tần số. Lọc EMI chủ động sử dụng các linh kiện điện tử chủ động như bộ khuếch đại thuật toán và bóng bán dẫn, kết hợp với các chiến lược điều khiển, để mang lại khả năng triệt tiêu EMI linh hoạt và hiệu quả hơn. Các giải pháp lai kết hợp cả các phần tử chủ động và thụ động cũng đang được ưa chuộng để cân bằng hiệu suất-chi phí tối ưu.

Các cơ quan quản lý quốc tế bao gồm Ủy ban Kỹ thuật Điện quốc tế (IEC) và Ủy ban Truyền thông Liên bang (FCC) thực thi các tiêu chuẩn EMC nghiêm ngặt, xác định mức bức xạ điện từ và nhiễu dẫn cho phép. Các quy định này bảo vệ các dịch vụ thiết yếu như truyền thông không dây và phát sóng khỏi nhiễu xuyên âm điện tử. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn này làm cho bộ lọc EMI trở thành các thành phần không thể thiếu để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy trong môi trường điện từ phức tạp.

Thiết bị chuyển đổi nguồn—bao gồm bộ chuyển đổi DC/DC, bộ biến tần và bộ chỉnh lưu—tạo thành một nguồn EMI chính do các hoạt động chuyển mạch tạo ra các quá độ dòng điện/điện áp tần số cao. Khi thiết bị điện tử công suất phát triển mạnh mẽ trong các lĩnh vực công nghiệp và ô tô, nhu cầu về lọc EMI chủ động tiếp tục tăng. Các ứng dụng viễn thông cũng thúc đẩy sự đổi mới trong việc triệt tiêu EMI bức xạ, với các kỹ thuật như đồng hồ phổ trải và che chắn điện từ được áp dụng rộng rãi.

Lấy cảm hứng từ việc khử tiếng ồn chủ động âm thanh, lọc EMI chủ động hoạt động bằng cách tạo ra các tín hiệu đảo pha để chống lại nhiễu. Một bộ lọc EMI chủ động tiêu chuẩn bao gồm ba giai đoạn thiết yếu:

• Giai đoạn cảm biến: Phát hiện tiếng ồn EMI trong mạch bằng cách sử dụng máy biến áp dòng điện cho dòng điện tần số cao hoặc bộ chia điện dung cho điện áp, sao chép chính xác các đặc tính tín hiệu nhiễu.
• Giai đoạn điện tử: Xử lý các tín hiệu được phát hiện thông qua khuếch đại và đảo pha bằng cách sử dụng bộ khuếch đại thuật toán, bộ khuếch đại đo lường hoặc bóng bán dẫn.
• Giai đoạn tiêm: Giới thiệu các tín hiệu đã xử lý trở lại mạch với pha ngược để triệt tiêu, thường thông qua các đường dẫn điện dung cho dòng điện hoặc máy biến áp nối tiếp cho điện áp.

Một nguyên tắc thiết kế quan trọng đảm bảo các bộ lọc chủ động chỉ ảnh hưởng đến tiếng ồn tần số cao mà không làm thay đổi hoạt động DC hoặc tần số đường dây.

Tiếng ồn EMI biểu hiện ở hai dạng chính:

• Chế độ chung (CM): Tiếng ồn xuất hiện đồng thời với pha giống hệt nhau trên nhiều dây dẫn so với mặt đất.
• Chế độ vi sai (DM): Tiếng ồn thể hiện các pha đối diện giữa các dây dẫn.

Mỗi loại yêu cầu các cấu trúc liên kết và cấu hình bộ lọc chủ động riêng biệt để triệt tiêu hiệu quả.

Bộ lọc EMI chủ động thực hiện hai phương pháp điều khiển cơ bản:

• Điều khiển phản hồi: Phát hiện tiếng ồn tại bộ thu và tạo ra các tín hiệu bù.
• Điều khiển chuyển tiếp: Phát hiện tiếng ồn tại nguồn và tạo ra các tín hiệu chống lại.

Mỗi chiến lược đưa ra những ưu điểm riêng phù hợp với các bối cảnh hoạt động khác nhau.

Suy hao chèn (IL) đóng vai trò là thước đo chính cho hiệu quả của bộ lọc, được tính bằng decibel (dB) như sau:

IL = 20log ₁₀ (|V _{không có} | / |V _có |)

Trong đó V _{không có} và V _có biểu thị điện áp tải tương ứng không có và có bộ lọc. Giá trị IL cao hơn cho thấy sự suy giảm lớn hơn, trong khi các giá trị dưới 1 biểu thị sự khuếch đại tiếng ồn không mong muốn.

So với các lựa chọn thay thế thụ động, bộ lọc EMI chủ động cung cấp:

• Giảm sự phụ thuộc vào các đặc tính trở kháng của hệ thống
• Hiệu suất tần số cao vượt trội mà không cần các linh kiện thụ động lớn

Tuy nhiên, chúng đưa ra các cân nhắc về thiết kế bao gồm:

• Yêu cầu về nguồn điện bên ngoài
• Quản lý độ ổn định điện tử
• Yêu cầu về độ chính xác để triệt tiêu tiếng ồn

Thông qua việc tối ưu hóa thiết kế cẩn thận, lọc EMI chủ động cung cấp một con đường hiệu quả để tăng cường khả năng tương thích điện từ, cải thiện cả hiệu suất thiết bị và độ tin cậy của hệ thống trong môi trường điện tử ngày càng phức tạp.