汽車(chē)和工業(yè)應用中如何使用轉換速率控制EMI

　　許多工業(yè)和汽車(chē)應用中都使用了同步降壓轉換器電源拓撲結構；此類(lèi)應用還要求具有低傳導放射和輻射放射特性，以確保電源不會(huì )干擾共用同一條總線(xiàn)的其它設備（輸入電壓 ［VIN］）。例如，在汽車(chē)信息娛樂(lè )系統中，電子干擾（EMI） 會(huì )在汽車(chē)立體音響中發(fā)出撓人的噪音。

　　圖1顯示了同步降壓轉換器的原理圖以及其開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形。高側MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和高側/低側MOSFET與印刷電路板（PCB）雜散電感和電容都具有在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形達到峰值時(shí)振鈴的功能。而我們不需要開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形振鈴，因為它會(huì )增大低側MOSFET的電壓應力，并產(chǎn)生電磁干擾。

　　圖1：同步降壓轉換器

　　為了確定圖1中降壓轉換器的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)振鈴與其所產(chǎn)生電磁干擾之間的關(guān)系，我按照國家無(wú)線(xiàn)電干擾特別委員會(huì )（CISPR） 25 Class 5的規定進(jìn)行了傳導放射測試。圖2顯示了測試的結果。測得的數據顯示：在30MHz-108MHz的頻率范圍內，降壓轉換器的傳導放射值比Class 5限制高出了15dBµV。

　　圖2：CISPR 25 Class 5， 30MHz-108MHz，降壓轉換器 VIN = 12V， VOUT = 3.3V， IOUT= 5A

　　要降低電磁輻射，首先要降低開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的振鈴噪聲。有以下幾種方法：首先減緩MOSFET的接通和關(guān)閉時(shí)間，從而控制開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的上升和下降時(shí)間。在串聯(lián)電阻器（RHO與RLO）上加裝MOSFET的柵極引線(xiàn)即可實(shí)現該功能；參見(jiàn)圖3。第二步是在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)與接地之間加裝一個(gè)緩沖器（RSUB與CSUB）。緩沖器電路可以在轉換過(guò)渡期間抑制寄生電感和電容。

　　圖3：接通和關(guān)閉電路

　　除利用上述方法來(lái)降低開(kāi)關(guān)節點(diǎn)振鈴噪音外，還有另一種方法，就是使用LM5140-Q1符合汽車(chē)應用要求的同步降壓控制器。LM5140-Q1的一大重要特性是轉換速率控制。通過(guò)引出驅動(dòng)器的源側和接收側引線(xiàn)，可以獨立控制高/低側MOSFET的接通和關(guān)閉時(shí)間。

　　在低側MOSFET關(guān)閉和高側頂部MOSFET接通期間，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓從接地升至VIN。如果高側頂部MOSFET接通過(guò)快，則在過(guò)渡時(shí)開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓會(huì )過(guò)沖。增大RHO電阻可以降低高側MOSFET的驅動(dòng)電流，減緩該MOSFET的接通時(shí)間，同時(shí)有助于降低開(kāi)關(guān)節點(diǎn)振鈴噪音。注意：減慢高側MOSFET的關(guān)閉時(shí)間會(huì )增大開(kāi)關(guān)損耗。在低電磁輻射和高側MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗之間選用RHO時(shí)，需要做一個(gè)權衡折衷。

　　低側MOSFET損耗包括RDS（ON）損耗、空載時(shí)間損耗和MOSFET內部體二極管的損耗?？蛰d（高/低側MOSFET均處于關(guān)閉狀態(tài)）時(shí)，低側MOSFET的內部體二極管可傳導感應器電流。一般情況下，MOSFET的內部體二極管都有較高的正向電壓降，因此其效率會(huì )大幅降低。而縮短低側MOSFET內部體二極管傳導電流的時(shí)間可以提高效率。

　　利用轉換速率控制可以在LM5140-Q1驅動(dòng)器輸出（LO引腳）和低側MOSFET柵極之間插入一個(gè)電阻器（ROL），用來(lái)延長(cháng)低側MOSFET關(guān)閉所需的時(shí)間。減慢關(guān)閉時(shí)間可以減少低側和高側MOSFET傳導的空載時(shí)間，提高降壓轉換器的效率?？s短同步降壓的空載時(shí)間時(shí)，切勿同時(shí)傳導高側和低側MOSFET。

　　圖4：降壓轉換器開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形和轉換速率控制

　　我使用LM5140-Q1控制器（參見(jiàn)圖4）改裝了圖1所示的電源。使用轉換速率控制優(yōu)化開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的上升和下降時(shí)間，消除了開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的振鈴噪音。

　　下一步是進(jìn)行CISPR 25 Class 5傳導放射。我選用了以下轉換速率控制電阻器值：RHO = 10?， RHOL = 0?， RLO = 10? 和 RLOL= 10?。選擇用于此應用的電阻器對于輸入功率低于50W的任何應用來(lái)說(shuō)都是一個(gè)很好的起點(diǎn)。

　　圖5顯示了傳導放射測試的結果和總結。

　　圖5：轉換速率控制比較：CISPR 25 Class 5， VIN = 12V， VOUT = 3.3V， IOUT = 5A，無(wú)轉換速率控制（a）和有轉換速率控制（b）

　　降壓轉換器借助LM5140-Q1和轉換速率控制將傳導放射降低了21dBµV。此外還增強了對開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上升和下降的控制，同時(shí)無(wú)需使用緩沖電路，降低了電路的復雜性和成本。

　　挑選出轉換速率控制電阻器的正確值，不僅可以降低電磁輻射，還能同時(shí)提高系統的效率。