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稳压器电流噪声EMC兼容的汽车开关稳压器设计

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  伴随这些先进设备而来的,是对更高处理速度的需求。因此,现今的汽车整合了高性能微处理器及DSP,使得核心电压下降至1V,并且使电流上升5A。使介于6V至40V之间的汽车电池产生如此的电压及电流需要面临许多难题,其中一项是达到电磁兼容性测试(EMC)的严格标准。线性稳压器曾经是将汽车电池电压转换为调节的电源电压所使用的主要方法,但现在已经不合时宜。更准确地说,线性稳压器使得输出电压降低而导致负载电流增加。开关稳压器则愈来愈受到广泛使用,随之而来的是对于电磁波干扰(EMI)无线射频的忧虑,以及对于安全性系统的重视。

  本文将以没有复杂数学运算的直觉方式,探讨成功实现开关稳压器的基本因素,主要包括:斜率(slew rate)控制、滤波器设计、元件选用、配置、噪声扩散及屏蔽。

用简单方法实现开关电源EMC

  本文的目的在于不需要完全了解复杂的EMI,即可尝试设计EMI兼容的开关稳压器。事实上,与EMI有关的所有问题都来源于未完全达到开关稳压器内电压与电流变化的速率,以及与电路板信号线上或元件内寄生电路元件的互动方式。以通过额定14V且以5A产生5V电压的汽车电池产生动力的200kHz降压型开关稳压器为例,若要达到可观的效率,开关节点的电压斜率应该只占导通时间的一小段,例如1/12以下。连续导电模式(CCM)下运作的降压转换器导通时间为D/fsw,其中D是负载周期或脉宽调制(PWM)信号开启时间百分比与整段时间的比值(ton及toff),而fsw是转换器的开关频率。

  对于CCM中运作的降压转换器,电感电流一直是非零的正电流。在这种情况下,负载周期为D=Vout/Vin,在本例中为38%(5V/14V)。使用200kHz的开关频率时,我们很快计算出导通时间为1.8μs。为支持此频率,控制开关的上升/下降时间必须小于90纳秒。这使得我们注意到第一个减少噪声的方法,也就是斜率控制。您可能还无法理解,但是此时我们非常了解与PWM切换节点有关的谐波,也就是开关稳压器的控制波形。如果将此波形以图1(a)中所示的梯形表示,波形的谐波便能够以图1(b)中的内容表示,这表明了EMI背后的驱动因素。这一傅里叶包络定义了可通过傅里叶分析或计算梯形波形导通时间及上升时间取得的谐波振幅。

  观察频域时,可看出相等上升和下降时间的梯形波形是由不同的谐波信号所组成,这些信号存在于周期信号基本频率的整数倍数。值得注意的是,各谐波的能量会在1/(π×τ)的第一个转折点(导通时间)减至20dB/dec,并且在1/(π×tr)的第二个转折点减至40dB/dec。因此,限制开关节点波形的斜率会对减少发射量具有重大影响。通过这项探讨,应该能够清楚显示降低运作频率也有利于减少发射量。

AM射频频段考量

  汽车EMI规范的其中一个难点与AM频段有关。该频段从500kHz开始,一直持续到2MHz,对于开关稳压器而言非常适合。由于梯形波形的最高能量元件是基本元件(假设没有任何电路板谐振),因此可在AM频段上下运作。

负载周期重要吗?

  另一项重要因素是,如果负载周期刚好是50%,复杂梯形切换波形的所有能量会以奇次谐波(1、3、5、7……)呈现。因此,以50%负载周期运作是最坏的情况。在50%上下的负载周期,即使出现谐波,也会发生自然的EMI扩散。

EMI及EMC标准

  您可以将EMI视为不适宜的能量,而这个能量不需要太多就有可能违反发射标准。事实上,EMI是相当低的能量效应。例如,在1MHz的状况下,只要20nW的EMI便会违反FCC对于传导发射的规范。传导发射是以频谱分析仪监测输入来源高频率元件而测得。线路阻抗稳定网路(LISN)可作为开关稳压器的低阻抗,以及频谱分析仪线路噪声的高通滤波器。因此,开关稳压器的输入是下一个需要注意之处。

输入滤波器的考量

  造成汽车出现EMI的其中一个主要因素是开关稳压器在电源排线上传入AC电流。这些变化的电流本身具有辐射发射及传导发射的各种波形。例如,在非隔离式升压转换器中,图2(a)所示的输入电容(C2)及升压电感(L1)形成隔离线路发射的单向EMI滤波器。不过,输入电流具有该波形傅里叶扩展的AC三角波形,如图2(b)的绿色信号线所示。

  只要加入L2及C2,波形便会变成正弦曲线,而能量会重新调整为相当低的高频率峰值。不过,如果不能正确设计输入滤波器,则会将噪声放大而使得控制回路不稳定。因此,了解滤波器设计的概念,对于优化滤波器回波及成本相当重要。使用SPICE的AC分析是有效了解滤波器行为的工具。

  不论是设计降压或升压电源,差动模式滤波器或双向电容输入滤波器都相当实用,这些能够避免EMI噪声进入线路以及辐射和/或传导噪声。需要注意的是,与滤波器元件相关的跨绕组终端电容及电容ESR等寄生元件会明显影响谐波的衰减,因此应该谨慎使用。

选用正确的元件

  元件选择是设计EMI兼容开关稳压器的关键部分。例如,屏蔽的电感有助于缩小会产生辐射且耦合成为互感及高阻抗电路(例如PWM控制器的输入误差放大器)的漏磁场。

  具有软反向或低反向恢复特性的二极管,能够将从导通状态变成截止状态的二极管相关的大浪涌电流降至最低。这些峰值电流会与寄生电容产生作用,而在超出100MHz的切换节点造成振荡,并且对EMC试验造成不良影响。虽然不在本文的讨论范围内,但还是需要说明的是:不正确选用开关稳压器的回路补偿元件,会使得EMI加剧。如果未正确补偿电源供应,输出纹波及不稳定现象会使噪声增加。经过适当补偿的电源供应是达到良好噪声性能的关键。

谨记电流经过的路径

  现在需要处理EMI兼容开关稳压器最容易控制的必需层面,也就是电路信号线路径及元件位置。元件位置会在很大程度上影响电路信号线路径。前文曾经说过EMI是不适宜的能量,而且变化的电流及电压会通过寄生电容、互感或空气耦合到敏感电路(例如高阻抗)。因此,对于将来源的发射量降至最低、元件位置及电流路径具有重要的效用。

  在一个电源的正确配置中,必须将大电流导体的回路部分缩减至最小。这样做能够将作为天线源和发射能量的电感降至最低。其中一个层面是有效放置元件及选用去耦电容。图3显示同步降压转换器的输出功率级与滤波器。C3将功率级去耦合,以便在Q2启动时提供低阻抗源。为了将辐射发射量降至最低,必须如图所示连接C3,其中电容的固有阻抗、电路信号线及通过电感的互连均缩减至最小。另外,也需要具有诸如X7R等高自振频率的高品质电容电介质。

屏蔽

  本文将说明的最后几项技术是噪声屏蔽及噪声扩散,这些可在运用前文讨论的技术之后用来提升噪声容限。如果未达到EMC标准或噪声容限不足,则需要外部屏蔽来转移辐射电场发射量,以免传输到EMC接收器天线。

  散热器或磁性核心等表面出现开关电压时,会产生电场。通常通过导电机壳即可屏蔽电场,其中的导电材料可将电场转换为电流,以隔离电场。当然,其中也必须有该电流的路径(一般是接地)。但是,该电流造成的整个传导噪声能量需要用滤波器加以解决。外部磁场屏蔽更具挑战性(成本高),而且在较高频率时的效果不佳。因此,应该谨慎设计相关磁性元件及电路板回路部分。

采用扩散频谱

  最后,本文将探讨另一项越来越受到广泛使用的技术,能够将峰值谐波能量散布于较大的频带,以有效降低该能量。该技术被称为展频频率抖动(SSFD),能够通过谐波峰值的降低将噪声信号从窄频变成宽频,以改变噪声频谱。其中必须了解能量频谱的变化,而整个能量则维持不变。最终的结果是噪声水平一般会增加,从而损害高保真系统。图4显示发生的谐波扩散及峰值降低。一般降低的幅度为5至10dB,后续的谐波会增加峰值降低的幅度。

本文小结

  您可以花很长的时间了解EMI的复杂度,但是设计EMI兼容的开关稳压器只需要了解应用电路及少数基本电路设计属性及波形分析。不论是设计汽车的开关稳压器,还是设计不使用电池的开关稳压器或复杂的PEV电池充电器,设计EMI兼容的开关稳压器都需要了解Maxwell方程式的概念。幸好对于我们大多数人而言,其中并未涉及偏微分方程式,而只需要注意快速改变电压/电流时出现的磁场及电场,并了解本文中所述的技术即可。

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