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設計EMC兼容的汽車(chē)開(kāi)關(guān)穩壓器
作者：
時(shí)間：2012-12-08
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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輸入濾波器的考量
造成汽車(chē)出現EMI的其中一個(gè)主要因素是開(kāi)關(guān)穩壓器在電源排線(xiàn)上傳入AC電流。這些變化的電流本身具有輻射發(fā)射及傳導發(fā)射的各種波形。例如，在非隔離式升壓轉換器中，圖2(a)所示的輸入電容(C2)及升壓電感(L1)形成隔離線(xiàn)路發(fā)射的單向EMI濾波器。不過(guò)，輸入電流具有該波形傅里葉擴展的AC三角波形，如圖2(b)的綠色信號線(xiàn)所示。
只要加入L2及C2，波形便會(huì )變成正弦曲線(xiàn)，而能量會(huì )重新調整為相當低的高頻率峰值。不過(guò)，如果不能正確設計輸入濾波器，則會(huì )將噪聲放大而使得控制回路不穩定。因此，了解濾波器設計的概念，對于優(yōu)化濾波器回波及成本相當重要。使用SPICE的AC分析是有效了解濾波器行為的工具。
不論是設計降壓或升壓電源，差動(dòng)模式濾波器或雙向電容輸入濾波器都相當實(shí)用，這些能夠避免EMI噪聲進(jìn)入線(xiàn)路以及輻射和/或傳導噪聲。需要注意的是，與濾波器元件相關(guān)的跨繞組終端電容及電容ESR等寄生元件會(huì )明顯影響諧波的衰減，因此應該謹慎使用。
選用正確的元件
元件選擇是設計EMI兼容開(kāi)關(guān)穩壓器的關(guān)鍵部分。例如，屏蔽的電感有助于縮小會(huì )產(chǎn)生輻射且耦合成為互感及高阻抗電路(例如PWM控制器的輸入誤差放大器)的漏磁場(chǎng)。
具有軟反向或低反向恢復特性的二極管，能夠將從導通狀態(tài)變成截止狀態(tài)的二極管相關(guān)的大浪涌電流降至最低。這些峰值電流會(huì )與寄生電容產(chǎn)生作用，而在超出100MHz的切換節點(diǎn)造成振蕩，并且對EMC試驗造成不良影響。雖然不在本文的討論范圍內，但還是需要說(shuō)明的是：不正確選用開(kāi)關(guān)穩壓器的回路補償元件，會(huì )使得EMI加劇。如果未正確補償電源供應，輸出紋波及不穩定現象會(huì )使噪聲增加。經(jīng)過(guò)適當補償的電源供應是達到良好噪聲性能的關(guān)鍵。
謹記電流經(jīng)過(guò)的路徑
現在需要處理EMI兼容開(kāi)關(guān)穩壓器最容易控制的必需層面，也就是電路信號線(xiàn)路徑及元件位置。元件位置會(huì )在很大程度上影響電路信號線(xiàn)路徑。前文曾經(jīng)說(shuō)過(guò)EMI是不適宜的能量，而且變化的電流及電壓會(huì )通過(guò)寄生電容、互感或空氣耦合到敏感電路(例如高阻抗)。因此，對于將來(lái)源的發(fā)射量降至最低、元件位置及電流路徑具有重要的效用。
在一個(gè)電源的正確配置中，必須將大電流導體的回路部分縮減至最小。這樣做能夠將作為天線(xiàn)源和發(fā)射能量的電感降至最低。其中一個(gè)層面是有效放置元件及選用去耦電容。圖3顯示同步降壓轉換器的輸出功率級與濾波器。C3將功率級去耦合，以便在Q2啟動(dòng)時(shí)提供低阻抗源。為了將輻射發(fā)射量降至最低，必須如圖所示連接C3，其中電容的固有阻抗、電路信號線(xiàn)及通過(guò)電感的互連均縮減至最小。另外，也需要具有諸如X7R等高自振頻率的高品質(zhì)電容電介質(zhì)。
屏蔽
本文將說(shuō)明的最后幾項技術(shù)是噪聲屏蔽及噪聲擴散，這些可在運用前文討論的技術(shù)之后用來(lái)提升噪聲容限。如果未達到EMC標準或噪聲容限不足，則需要外部屏蔽來(lái)轉移輻射電場(chǎng)發(fā)射量，以免傳輸到EMC接收器天線(xiàn)。
散熱器或磁性核心等表面出現開(kāi)關(guān)電壓時(shí)，會(huì )產(chǎn)生電場(chǎng)。通常通過(guò)導電機殼即可屏蔽電場(chǎng)，其中的導電材料可將電場(chǎng)轉換為電流，以隔離電場(chǎng)。當然，其中也必須有該電流的路徑(一般是接地)。但是，該電流造成的整個(gè)傳導噪聲能量需要用濾波器加以解決。外部磁場(chǎng)屏蔽更具挑戰性(成本高)，而且在較高頻率時(shí)的效果不佳。因此，應該謹慎設計相關(guān)磁性元件及電路板回路部分。
采用擴散頻譜
最后，本文將探討另一項越來(lái)越受到廣泛使用的技術(shù)，能夠將峰值諧波能量散布于較大的頻帶，以有效降低該能量。該技術(shù)被稱(chēng)為展頻頻率抖動(dòng)(SSFD)，能夠通過(guò)諧波峰值的降低將噪聲信號從窄頻變成寬頻，以改變噪聲頻譜。其中必須了解能量頻譜的變化，而整個(gè)能量則維持不變。最終的結果是噪聲水平一般會(huì )增加，從而損害高保真系統。圖4顯示發(fā)生的諧波擴散及峰值降低。一般降低的幅度為5至10dB，后續的諧波會(huì )增加峰值降低的幅度。
本文小結
您可以花很長(cháng)的時(shí)間了解EMI的復雜度，但是設計EMI兼容的開(kāi)關(guān)穩壓器只需要了解應用電路及少數基本電路設計屬性及波形分析。不論是設計汽車(chē)的開(kāi)關(guān)穩壓器，還是設計不使用電池的開(kāi)關(guān)穩壓器或復雜的PEV電池充電器，設計EMI兼容的開(kāi)關(guān)穩壓器都需要了解Maxwell方程式的概念。幸好對于我們大多數人而言，其中并未涉及偏微分方程式，而只需要注意快速改變電壓/電流時(shí)出現的磁場(chǎng)及電場(chǎng)，并了解本文中所述的技術(shù)即可。
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