- 電源轉換器的低EMI設計
- 熱性能、電磁干擾以及與PCB布局和電磁干擾相關(guān)的方案
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(Q1on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HenryOtt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)。
In=2IdSin(nπd)/nπd×Sin(nπtr/T)/nπtr/T(1)[page]
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。
圖3用關(guān)聯(lián)二極管來(lái)控制過(guò)渡時(shí)間
開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的物理回路面積對于控制電磁干擾也非常重要。通常，出于PCB面積的考慮，設計者都希望結構越緊湊越好，但是許多設計人員并不知道哪部分布局對電磁干擾的影響最大?；氐街暗慕祲悍€壓器例子上，該例中有兩個(gè)回路節點(diǎn)(如圖4和圖5所示)，它們的尺寸會(huì )直接影響到電磁干擾水平。
圖4 降壓穩壓器模型1
圖5降壓穩壓器模型2[page]
Ott關(guān)于不同模式電磁干擾水平的公式(2)示意了回路面積對電路電磁干擾水平產(chǎn)生的直接線(xiàn)性影響。
E=263×10-16(f2AI)(1/r)(2)
輻射場(chǎng)正比于下列參數：涉及的諧波頻率(f，單位Hz)、回路面積(A，單位m2)、電流(I)和測量距離(r，單位m)。
此概念可以推廣到所有利用梯形波形進(jìn)行電路設計的場(chǎng)合，不過(guò)本文僅討論電源設計。參考圖4中的交流模型，研究其回路電流流動(dòng)情況：起點(diǎn)為輸入電容器，然后在Q1導通期間流向Q1，再通過(guò)L1進(jìn)入輸出電容器，最后返回輸入電容器中。
當Q1關(guān)斷、Q2導通時(shí)，就形成了第二個(gè)回路。之后存儲在L1內的能量流經(jīng)輸出電容器和Q2，如圖5所示。這些回路面積控制對于降低電磁干擾是很重要的，在PCB走線(xiàn)布線(xiàn)時(shí)就要預先考慮清器件的布局問(wèn)題。當然，回路面積能做到多小也是有實(shí)際限制的。
從公式2可以看出，減小開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的回路面積會(huì )有效降低電磁干擾水平。如果回路面積減小為原來(lái)的3倍，電磁干擾會(huì )降低9.5dB，如果減小為原來(lái)的10倍，則會(huì )降低20dB。設計時(shí)，最好從最小化圖4和圖5所示的兩個(gè)回路節點(diǎn)的回路面積著(zhù)手，細致考慮器件的布局問(wèn)題，同時(shí)注意銅線(xiàn)連接問(wèn)題。盡量避免同時(shí)使用PCB的兩面，因為通孔會(huì )使電感顯著(zhù)增高，進(jìn)而帶來(lái)其他問(wèn)題。
恰當放置高頻輸入和輸出電容器的重要性常被忽略。若干年以前，我所在的公司曾把我們的產(chǎn)品設計轉讓給國外制造商。結果，我的工作職責也發(fā)生了很大變化，我成了一名顧問(wèn)，幫助電源設計新手解決文中提到的一系列需要權衡的事宜及其他眾多問(wèn)題。這里有一個(gè)含有集成鎮流器的離線(xiàn)式開(kāi)關(guān)的設計例子：設計人員希望降低最終功率級中的電磁干擾。我只是簡(jiǎn)單地將高頻輸出電容器移動(dòng)到更靠近輸出級的位置，其回路面積就大約只剩原來(lái)的一半，而電磁干擾就降低了約6dB。而這位設計者顯然不太懂得其中的道理，他稱(chēng)那個(gè)電容為"魔法帽子"，而事實(shí)上我們只是減小了開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的回路面積。
