電源模塊的電磁干擾設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)中即使是普通的直流到直流開關(guān)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)都會(huì)出現(xiàn)一系列問題，尤其在高功率電源設(shè)計(jì)中更是如此。除功能性考慮以外，工程師必須保證設(shè)計(jì)的魯棒性，以符合成本目標(biāo)要求以及熱性能和空間限制，當(dāng)然同時(shí)還要保證設(shè)計(jì)的進(jìn)度。另外，出于產(chǎn)品規(guī)范和系統(tǒng)性能的考慮，電源產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）必須足夠低。不過，電源的電磁干擾水平卻是設(shè)計(jì)中最難精確預(yù)計(jì)的項(xiàng)目。有些人甚至認(rèn)為這簡(jiǎn)直是不可能的，設(shè)計(jì)人員能做的最多就是在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，但我們?cè)诖酥魂P(guān)注直流到直流的轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗膽?yīng)用相當(dāng)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，說不定什么時(shí)候就必須設(shè)計(jì)一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器。本文中我們將考慮與低電磁干擾設(shè)計(jì)相關(guān)的兩種常見的折中方案；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(zhuǎn)換器做例子，如圖1所示。

圖1 普通的降壓轉(zhuǎn)換器

在頻域內(nèi)測(cè)量輻射和傳導(dǎo)電磁干擾，這就是對(duì)已知波形做傅里葉級(jí)數(shù)展開，本文中我們著重考慮輻射電磁干擾性能。在同步降壓轉(zhuǎn)換器中，引起電磁干擾的主要開關(guān)波形是由Q1和Q2產(chǎn)生的，也就是每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管在其各自導(dǎo)通周期內(nèi)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(guī)則的梯形，但是我們的操作自由度也就更大，因?yàn)閷?dǎo)體電流的過渡相對(duì)較慢，所以可以應(yīng)用Henry Ott經(jīng)典著作《電子系統(tǒng)中的噪聲降低技術(shù)》中的公式1。我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一個(gè)類似的波形，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(shù)（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(jí)次，T是周期，I是波形的峰值電流強(qiáng)度，d是占空比，而tr是tr或tf的最小值。

在實(shí)際應(yīng)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(cè)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)單地通過減緩Q1或Q2的通斷速度來降低電磁干擾水平。事實(shí)正是如此，延長開關(guān)時(shí)間的確對(duì)頻率高于f=1／πtr的諧波有很大影響。不過，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(duì)這些參數(shù)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。具體可以通過增加一個(gè)小阻值電阻（通常小于5Ω）實(shí)現(xiàn)，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”來獨(dú)立控制過渡時(shí)間tr或tf（見圖3）。這其實(shí)是一個(gè)迭代過程，甚至連經(jīng)驗(yàn)最豐富的電源設(shè)計(jì)人員都使用這種方法。我們的最終目標(biāo)是通過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(wěn)定性。

圖3 用關(guān)聯(lián)二極管來控制過渡時(shí)間

開關(guān)節(jié)點(diǎn)的物理回路面積對(duì)于控制電磁干擾也非常重要。通常，出于PCB面積的考慮，設(shè)計(jì)者都希望結(jié)構(gòu)越緊湊越好，但是許多設(shè)計(jì)人員并不知道哪部分布局對(duì)電磁干擾的影響最大。回到之前的降壓穩(wěn)壓器例子上，該例中有兩個(gè)回路節(jié)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(wěn)壓器模型1

圖5 降壓穩(wěn)壓器模型2

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(duì)電路電磁干擾水平產(chǎn)生的直接線性影響。

?E=263×10-16(f2AI)(1/r)????? (2)

輻射場(chǎng)正比于下列參數(shù)：涉及的諧波頻率（f，單位Hz）、回路面積（A，單位m2）、電流（I）和測(cè)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(shè)計(jì)的場(chǎng)合，不過本文僅討論電源設(shè)計(jì)。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(dǎo)通期間流向Q1，再通過L1進(jìn)入輸出電容器，最后返回輸入電容器中。

當(dāng)Q1關(guān)斷、Q2導(dǎo)通時(shí)，就形成了第二個(gè)回路。之后存儲(chǔ)在L1內(nèi)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(duì)于降低電磁干擾是很重要的，在PCB走線布線時(shí)就要預(yù)先考慮清器件的布局問題。當(dāng)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，減小開關(guān)節(jié)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的3倍，電磁干擾會(huì)降低9.5dB，如果減小為原來的10倍，則會(huì)降低20 dB。設(shè)計(jì)時(shí)，最好從最小化圖4和圖5所示的兩個(gè)回路節(jié)點(diǎn)的回路面積著手，細(xì)致考慮器件的布局問題，同時(shí)注意銅線連接問題。盡量避免同時(shí)使用PCB的兩面，因?yàn)橥讜?huì)使電感顯著增高，進(jìn)而帶來其他問題。

恰當(dāng)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(shè)計(jì)轉(zhuǎn)讓給國外制造商。結(jié)果，我的工作職責(zé)也發(fā)生了很大變化，我成了一名顧問，幫助電源設(shè)計(jì)新手解決文中提到的一系列需要權(quán)衡的事宜及其他眾多問題。這里有一個(gè)含有集成鎮(zhèn)流器的離線式開關(guān)的設(shè)計(jì)例子：設(shè)計(jì)人員希望降低最終功率級(jí)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(jí)的位置，其回路面積就大約只剩原來的一半，而電磁干擾就降低了約6dB。而這位設(shè)計(jì)者顯然不太懂得其中的道理，他稱那個(gè)電容為“魔法帽子”，而事實(shí)上我們只是減小了開關(guān)節(jié)點(diǎn)的回路面積。

還有一點(diǎn)至重要的，新改進(jìn)的電路產(chǎn)生的問題可能比原先的還要嚴(yán)重。換句話說，盡管延長過渡時(shí)間可以減少電磁干擾，但其引起的熱效應(yīng)也隨之成為重要的問題。有一種控制電磁干擾的方法是用全集成電源模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流到直流轉(zhuǎn)換器。電源模塊是含有全集成功率晶體管和電感的開關(guān)穩(wěn)壓器，它和線性穩(wěn)壓器一樣可以很輕松地融入系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。模塊開關(guān)節(jié)點(diǎn)的回路面積遠(yuǎn)小于相似尺寸的穩(wěn)壓器或控制器，電源模塊并不是新生事物，它的面世已經(jīng)有一段時(shí)間了，但是直到現(xiàn)在，由于一系列問題，模塊仍無法有效散熱，且一經(jīng)安裝后就無法更改。