布局在電源模塊中低電磁干擾的精確設計方案

電源設計中即使是普通的直流到直流開(kāi)關(guān)轉換器的設計都會(huì )出現一系列問(wèn)題，尤其在高功率電源設計中更是如此。除功能性考慮以外，工程師必須保證設計的魯棒性，以符合成本目標要求以及熱性能和空間限制，當然同時(shí)還要保證設計的進(jìn)度。另外，出于產(chǎn)品規范和系統性能的考慮，電源產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)必須足夠低。不過(guò)，電源的電磁干擾水平卻是設計中最難精確預計的項目。有些人甚至認為這簡(jiǎn)直是不可能的，設計人員能做的最多就是在設計中進(jìn)行充分考慮，尤其在布局時(shí)。

盡管本文所討論的原理適用于廣泛的電源設計，但我們在此只關(guān)注直流到直流的轉換器，因為它的應用相當廣泛，幾乎每一位硬件工程師都會(huì )接觸到與它相關(guān)的工作，說(shuō)不定什么時(shí)候就必須設計一個(gè)電源轉換器。本文中我們將考慮與低電磁干擾設計相關(guān)的兩種常見(jiàn)的折中方案;熱性能、電磁干擾以及與PCB布局和電磁干擾相關(guān)的方案尺寸等。文中我們將使用一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓轉換器做例子，如圖1所示。

圖1.普通的降壓轉換器

在頻域內測量輻射和傳導電磁干擾，這就是對已知波形做傅里葉級數展開(kāi)，本文中我們著(zhù)重考慮輻射電磁干擾性能。在同步降壓轉換器中，引起電磁干擾的主要開(kāi)關(guān)波形是由Q1和Q2產(chǎn)生的，也就是每個(gè)場(chǎng)效應管在其各自導通周期內從漏極到源極的電流di/dt.圖2所示的電流波形(Q和Q2on)不是很規則的梯形，但是我們的操作自由度也就更大，因為導體電流的過(guò)渡相對較慢，所以可以應用Henry Ott經(jīng)典著(zhù)作《電子系統中的噪聲降低技術(shù)》中的公式1.我們發(fā)現，對于一個(gè)類(lèi)似的波形，其上升和下降時(shí)間會(huì )直接影響諧波振幅或傅里葉系數(In)。

圖2.Q1和Q2的波形In=2IdSin(nπd)/nπd ×Sin(nπtr/T)/nπtr/T (1)

其中，n是諧波級次，T是周期，I是波形的峰值電流強度，d是占空比，而tr是tr或tf的最小值。

在實(shí)際應用中，極有可能會(huì )同時(shí)遇到奇次和偶次諧波發(fā)射。如果只產(chǎn)生奇次諧波，那么波形的占空比必須精確為50%.而實(shí)際情況中極少有這樣的占空比精度。

諧波系列的電磁干擾幅度受Q1和Q2的通斷影響。在測量漏源電壓VDS的上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf,或流經(jīng)Q1和Q2的電流上升率di/dt 時(shí)，可以很明顯看到這一點(diǎn)。這也表示，我們可以很簡(jiǎn)單地通過(guò)減緩Q1或Q2的通斷速度來(lái)降低電磁干擾水平。事實(shí)正是如此，延長(cháng)開(kāi)關(guān)時(shí)間的確對頻率高于 f=1/πtr的諧波有很大影響。不過(guò)，此時(shí)必須在增加散熱和降低損耗間進(jìn)行折中。盡管如此，對這些參數加以控制仍是一個(gè)好方法，它有助于在電磁干擾和熱性能間取得平衡。具體可以通過(guò)增加一個(gè)小阻值電阻(通常小于5Ω)實(shí)現，該電阻與Q1和Q2的柵極串聯(lián)即可控制tr和tf,你也可以給柵極電阻串聯(lián)一個(gè) “關(guān)斷二極管”來(lái)獨立控制過(guò)渡時(shí)間tr或tf(見(jiàn)圖3)。這其實(shí)是一個(gè)迭代過(guò)程，甚至連經(jīng)驗最豐富的電源設計人員都使用這種方法。我們的最終目標是通過(guò)放慢晶體管的通斷速度，使電磁干擾降低至可接受的水平，同時(shí)保證其溫度足夠低以確保穩定性。