中心議題：

• EMC兼容的汽車(chē)開(kāi)關(guān)穩壓器設計

解決方案：

• 探討開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形的斜率
• 選用正確的元件
• 屏蔽設計

汽車(chē)本身不斷變化，驅動(dòng)汽車(chē)的電子裝置也是如此。其中最顯著(zhù)的莫過(guò)于插電式電動(dòng)汽車(chē)(PEV)，它們采用300V至400V的鋰離子電池和三相推進(jìn)馬達取代取代燃氣罐和內燃機。精密的電池組電量監控、再生制動(dòng)系統及復雜的傳輸控制可將電池使用時(shí)間優(yōu)化，使得電池需要充電的頻率減少。此外，現今的電動(dòng)汽車(chē)或其它種類(lèi)的汽車(chē)都具有許多可提升性能、安全、便利性及舒適感的電子模塊。許多中檔車(chē)均配備先進(jìn)的全球定位系統(GPS)、集成DVD播放器及高性能音響系統。

伴隨這些先進(jìn)設備而來(lái)的，是對更高處理速度的需求。因此，現今的汽車(chē)整合了高性能微處理器及DSP，使得核心電壓下降至1V，并且使電流上升5A。使介于6V至40V之間的汽車(chē)電池產(chǎn)生如此的電壓及電流需要面臨許多難題，其中一項是達到電磁兼容性測試(EMC)的嚴格標準。線(xiàn)性穩壓器曾經(jīng)是將汽車(chē)電池電壓轉換為調節的電源電壓所使用的主要方法，但現在已經(jīng)不合時(shí)宜。更準確地說(shuō)，線(xiàn)性穩壓器使得輸出電壓降低而導致負載電流增加。開(kāi)關(guān)穩壓器則愈來(lái)愈受到廣泛使用，隨之而來(lái)的是對于電磁波干擾(EMI)無(wú)線(xiàn)射頻的憂(yōu)慮，以及對于安全性系統的重視。

本文將以沒(méi)有復雜數學(xué)運算的直覺(jué)方式，探討成功實(shí)現開(kāi)關(guān)穩壓器的基本因素，主要包括：斜率(slew rate)控制、濾波器設計、元件選用、配置、噪聲擴散及屏蔽。

探討開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形的斜率

本文的目的在于不需要完全了解復雜的EMI，即可嘗試設計EMI兼容的開(kāi)關(guān)穩壓器。事實(shí)上，與EMI有關(guān)的所有問(wèn)題都來(lái)源于未完全達到開(kāi)關(guān)穩壓器內電壓與電流變化的速率，以及與電路板信號線(xiàn)上或元件內寄生電路元件的互動(dòng)方式。以通過(guò)額定14V且以5A產(chǎn)生5V電壓的汽車(chē)電池產(chǎn)生動(dòng)力的200kHz降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器為例，若要達到可觀(guān)的效率，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的電壓斜率應該只占導通時(shí)間的一小段，例如1/12以下。連續導電模式(CCM)下運作的降壓轉換器導通時(shí)間為D/fsw，其中D是負載周期或脈寬調制(PWM)信號開(kāi)啟時(shí)間百分比與整段時(shí)間的比值(ton及toff)，而fsw是轉換器的開(kāi)關(guān)頻率。

對于CCM中運作的降壓轉換器，電感電流一直是非零的正電流。在這種情況下，負載周期為D=Vout/Vin，在本例中為38%(5V/14V)。使用200kHz的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，我們很快計算出導通時(shí)間為1.8μs。為支持此頻率，控制開(kāi)關(guān)的上升/下降時(shí)間必須小于90納秒。這使得我們注意到第一個(gè)減少噪聲的方法，也就是斜率控制。您可能還無(wú)法理解，但是此時(shí)我們非常了解與PWM切換節點(diǎn)有關(guān)的諧波，也就是開(kāi)關(guān)穩壓器的控制波形。如果將此波形以圖1(a)中所示的梯形表示，波形的諧波便能夠以圖1(b)中的內容表示，這表明了EMI背后的驅動(dòng)因素。這一傅里葉包絡(luò )定義了可通過(guò)傅里葉分析或計算梯形波形導通時(shí)間及上升時(shí)間取得的諧波振幅。

觀(guān)察頻域時(shí)，可看出相等上升和下降時(shí)間的梯形波形是由不同的諧波信號所組成，這些信號存在于周期信號基本頻率的整數倍數。值得注意的是，各諧波的能量會(huì )在1/(π×τ)的第一個(gè)轉折點(diǎn)(導通時(shí)間)減至20dB/dec，并且在1/(π×tr)的第二個(gè)轉折點(diǎn)減至40dB/dec。因此，限制開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形的斜率會(huì )對減少發(fā)射量具有重大影響。通過(guò)這項探討，應該能夠清楚顯示降低運作頻率也有利于減少發(fā)射量。

AM射頻頻段考量

汽車(chē)EMI規范的其中一個(gè)難點(diǎn)與AM頻段有關(guān)。該頻段從500kHz開(kāi)始，一直持續到2MHz，對于開(kāi)關(guān)穩壓器而言非常適合。由于梯形波形的最高能量元件是基本元件(假設沒(méi)有任何電路板諧振)，因此可在A(yíng)M頻段上下運作。

負載周期考量

另一項重要因素是，如果負載周期剛好是50%，復雜梯形切換波形的所有能量會(huì )以奇次諧波(1、3、5、7……)呈現。因此，以50%負載周期運作是最壞的情況。在50%上下的負載周期，即使出現諧波，也會(huì )發(fā)生自然的EMI擴散。

EMI及EMC標準

您可以將EMI視為不適宜的能量，而這個(gè)能量不需要太多就有可能違反發(fā)射標準。事實(shí)上，EMI是相當低的能量效應。例如，在1MHz的狀況下，只要20nW的EMI便會(huì )違反FCC對于傳導發(fā)射的規范。傳導發(fā)射是以頻譜分析儀監測輸入來(lái)源高頻率元件而測得。線(xiàn)路阻抗穩定網(wǎng)路(LISN)可作為開(kāi)關(guān)穩壓器的低阻抗，以及頻譜分析儀線(xiàn)路噪聲的高通濾波器。因此，開(kāi)關(guān)穩壓器的輸入是下一個(gè)需要注意之處。

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。

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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。