輸入濾波器的考量 - TI工程師：如何設(shè)計EMI兼容的汽車開關(guān)穩(wěn)壓器

　　輸入濾波器的考量

　　造成汽車出現(xiàn)EMI的其中一個主要因素是開關(guān)穩(wěn)壓器在電源排線上傳入AC電流。這些變化的電流本身具有輻射發(fā)射及傳導(dǎo)發(fā)射的各種波形。例如，在非隔離式升壓轉(zhuǎn)換器中，圖2（a）所示的輸入電容（C2）及升壓電感（L1）形成隔離線路發(fā)射的單向EMI濾波器。不過，輸入電流具有該波形傅里葉擴展的AC三角波形，如圖2（b）的綠色信號線所示。

　　只要加入L2及C2，波形便會變成正弦曲線，而能量會重新調(diào)整為相當(dāng)?shù)偷母哳l率峰值。不過，如果不能正確設(shè)計輸入濾波器，則會將噪聲放大而使得控制回路不穩(wěn)定。因此，了解濾波器設(shè)計的概念，對于優(yōu)化濾波器回波及成本相當(dāng)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(shè)計降壓或升壓電源，差動模式濾波器或雙向電容輸入濾波器都相當(dāng)實用，這些能夠避免EMI噪聲進入線路以及輻射和/或傳導(dǎo)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等寄生元件會明顯影響諧波的衰減，因此應(yīng)該謹(jǐn)慎使用。

　　選用正確的元件

　　元件選擇是設(shè)計EMI兼容開關(guān)穩(wěn)壓器的關(guān)鍵部分。例如，屏蔽的電感有助于縮小會產(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。

　　具有軟反向或低反向恢復(fù)特性的二極管，能夠?qū)膶?dǎo)通狀態(tài)變成截止?fàn)顟B(tài)的二極管相關(guān)的大浪涌電流降至最低。這些峰值電流會與寄生電容產(chǎn)生作用，而在超出100MHz的切換節(jié)點造成振蕩，并且對EMC試驗造成不良影響。雖然不在本文的討論范圍內(nèi)，但還是需要說明的是：不正確選用開關(guān)穩(wěn)壓器的回路補償元件，會使得EMI加劇。如果未正確補償電源供應(yīng)，輸出紋波及不穩(wěn)定現(xiàn)象會使噪聲增加。經(jīng)過適當(dāng)補償?shù)碾娫垂?yīng)是達到良好噪聲性能的關(guān)鍵。

　　謹(jǐn)記電流經(jīng)過的路徑

　　現(xiàn)在需要處理EMI兼容開關(guān)穩(wěn)壓器最容易控制的必需層面，也就是電路信號線路徑及元件位置。元件位置會在很大程度上影響電路信號線路徑。前文曾經(jīng)說過EMI是不適宜的能量，而且變化的電流及電壓會通過寄生電容、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。

　　在一個電源的正確配置中，必須將大電流導(dǎo)體的回路部分縮減至最小。這樣做能夠?qū)⒆鳛?a target="_blank">天線源和發(fā)射能量的電感降至最低。其中一個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(zhuǎn)換器的輸出功率級與濾波器。C3將功率級去耦合，以便在Q2啟動時提供低阻抗源。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、電路信號線及通過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)之后用來提升噪聲容限。如果未達到EMC標(biāo)準(zhǔn)或噪聲容限不足，則需要外部屏蔽來轉(zhuǎn)移輻射電場發(fā)射量，以免傳輸?shù)紼MC接收器天線。

　　散熱器或磁性核心等表面出現(xiàn)開關(guān)電壓時，會產(chǎn)生電場。通常通過導(dǎo)電機殼即可屏蔽電場，其中的導(dǎo)電材料可將電場轉(zhuǎn)換為電流，以隔離電場。當(dāng)然，其中也必須有該電流的路徑（一般是接地）。但是，該電流造成的整個傳導(dǎo)噪聲能量需要用濾波器加以解決。外部磁場屏蔽更具挑戰(zhàn)性（成本高），而且在較高頻率時的效果不佳。因此，應(yīng)該謹(jǐn)慎設(shè)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越受到廣泛使用的技術(shù)，能夠?qū)⒎逯抵C波能量散布于較大的頻帶，以有效降低該能量。該技術(shù)被稱為展頻頻率抖動（SSFD），能夠通過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，而整個能量則維持不變。最終的結(jié)果是噪聲水平一般會增加，從而損害高保真系統(tǒng)。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(xù)的諧波會增加峰值降低的幅度。

　　本文小結(jié)

　　您可以花很長的時間了解EMI的復(fù)雜度，但是設(shè)計EMI兼容的開關(guān)穩(wěn)壓器只需要了解應(yīng)用電路及少數(shù)基本電路設(shè)計屬性及波形分析。不論是設(shè)計汽車的開關(guān)穩(wěn)壓器，還是設(shè)計不使用電池的開關(guān)穩(wěn)壓器或復(fù)雜的PEV電池充電器，設(shè)計EMI兼容的開關(guān)穩(wěn)壓器都需要了解Maxwell方程式的概念。幸好對于我們大多數(shù)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/電流時出現(xiàn)的磁場及電場，并了解本文中所述的技術(shù)即可。