TI工程師：如何設(shè)計(jì)EMI兼容的汽車開關(guān)穩(wěn)壓器 - 全文

　　不需要完全了解復(fù)雜的EMI，即可輕松設(shè)計(jì)EMI兼容的汽車開關(guān)穩(wěn)壓器。本文以沒有復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算的直覺方式，分享成功實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓器的基本因素，主要包括：斜率控制、濾波器設(shè)計(jì)、元件選用、配置、噪聲擴(kuò)散及屏蔽。

　　汽車本身不斷變化，驅(qū)動汽車的電子裝置也是如此。其中最顯著的莫過于插電式電動汽車（PEV），它們采用300V至400V的鋰離子電池和三相推進(jìn)馬達(dá)取代取代燃?xì)夤藓蛢?nèi)燃機(jī)。精密的電池組電量監(jiān)控、再生制動系統(tǒng)及復(fù)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(xiàn)今的電動汽車或其它種類的汽車都具有許多可提升性能、安全、便利性及舒適感的電子模塊。許多中檔車均配備先進(jìn)的全球定位系統(tǒng)（GPS）、集成DVD播放器及高性能音響系統(tǒng)。

　　伴隨這些先進(jìn)設(shè)備而來的，是對更高處理速度的需求。因此，現(xiàn)今的汽車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(xiàng)是達(dá)到電磁兼容性測試（EMC）的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。線性穩(wěn)壓器曾經(jīng)是將汽車電池電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)的電源電壓所使用的主要方法，但現(xiàn)在已經(jīng)不合時(shí)宜。更準(zhǔn)確地說，線性穩(wěn)壓器使得輸出電壓降低而導(dǎo)致負(fù)載電流增加。開關(guān)穩(wěn)壓器則愈來愈受到廣泛使用，隨之而來的是對于電磁波干擾（EMI）無線射頻的憂慮，以及對于安全性系統(tǒng)的重視。

　　本文將以沒有復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算的直覺方式，探討成功實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓器的基本因素，主要包括：斜率（slew rate）控制、濾波器設(shè)計(jì)、元件選用、配置、噪聲擴(kuò)散及屏蔽。

　　用簡單方法實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源EMC

　　本文的目的在于不需要完全了解復(fù)雜的EMI，即可嘗試設(shè)計(jì)EMI兼容的開關(guān)穩(wěn)壓器。事實(shí)上，與EMI有關(guān)的所有問題都來源于未完全達(dá)到開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)電壓與電流變化的速率，以及與電路板信號線上或元件內(nèi)寄生電路元件的互動方式。以通過額定14V且以5A產(chǎn)生5V電壓的汽車電池產(chǎn)生動力的200kHz降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器為例，若要達(dá)到可觀的效率，開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓斜率應(yīng)該只占導(dǎo)通時(shí)間的一小段，例如1/12以下。連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）下運(yùn)作的降壓轉(zhuǎn)換器導(dǎo)通時(shí)間為D/fsw，其中D是負(fù)載周期或脈寬調(diào)制（PWM）信號開啟時(shí)間百分比與整段時(shí)間的比值（ton及toff），而fsw是轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。

　　對于CCM中運(yùn)作的降壓轉(zhuǎn)換器，電感電流一直是非零的正電流。在這種情況下，負(fù)載周期為D=Vout/Vin，在本例中為38%（5V/14V）。使用200kHz的開關(guān)頻率時(shí)，我們很快計(jì)算出導(dǎo)通時(shí)間為1.8μs。為支持此頻率，控制開關(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。您可能還無法理解，但是此時(shí)我們非常了解與PWM切換節(jié)點(diǎn)有關(guān)的諧波，也就是開關(guān)穩(wěn)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(nèi)容表示，這表明了EMI背后的驅(qū)動因素。這一傅里葉包絡(luò)定義了可通過傅里葉分析或計(jì)算梯形波形導(dǎo)通時(shí)間及上升時(shí)間取得的諧波振幅。

　　觀察頻域時(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(shù)倍數(shù)。值得注意的是，各諧波的能量會在1/（π×τ）的第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)（導(dǎo)通時(shí)間）減至20dB/dec，并且在1/（π×tr）的第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)減至40dB/dec。因此，限制開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形的斜率會對減少發(fā)射量具有重大影響。通過這項(xiàng)探討，應(yīng)該能夠清楚顯示降低運(yùn)作頻率也有利于減少發(fā)射量。

　　AM射頻頻段考量

　　汽車EMI規(guī)范的其中一個(gè)難點(diǎn)與AM頻段有關(guān)。該頻段從500kHz開始，一直持續(xù)到2MHz，對于開關(guān)穩(wěn)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(shè)沒有任何電路板諧振），因此可在AM頻段上下運(yùn)作。

　　負(fù)載周期重要嗎？

　　另一項(xiàng)重要因素是，如果負(fù)載周期剛好是50%，復(fù)雜梯形切換波形的所有能量會以奇次諧波（1、3、5、7……）呈現(xiàn)。因此，以50%負(fù)載周期運(yùn)作是最壞的情況。在50%上下的負(fù)載周期，即使出現(xiàn)諧波，也會發(fā)生自然的EMI擴(kuò)散。

　　EMI及EMC標(biāo)準(zhǔn)

　　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(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，EMI是相當(dāng)?shù)偷哪芰啃?yīng)。例如，在1MHz的狀況下，只要20nW的EMI便會違反FCC對于傳導(dǎo)發(fā)射的規(guī)范。傳導(dǎo)發(fā)射是以頻譜分析儀監(jiān)測輸入來源高頻率元件而測得。線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)路（LISN）可作為開關(guān)穩(wěn)壓器的低阻抗，以及頻譜分析儀線路噪聲的高通濾波器。因此，開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入是下一個(gè)需要注意之處。

　　輸入濾波器的考量

　　造成汽車出現(xiàn)EMI的其中一個(gè)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(kuò)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)用，這些能夠避免EMI噪聲進(jìn)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(jì)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(diǎn)造成振蕩，并且對EMC試驗(yàn)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(bǔ)償元件，會使得EMI加劇。如果未正確補(bǔ)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(bǔ)償?shù)碾娫垂?yīng)是達(dá)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(gè)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(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(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(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(xiàng)技術(shù)是噪聲屏蔽及噪聲擴(kuò)散，這些可在運(yùn)用前文討論的技術(shù)之后用來提升噪聲容限。如果未達(dá)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(shí)，會產(chǎn)生電場。通常通過導(dǎo)電機(jī)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(gè)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(shí)的效果不佳。因此，應(yīng)該謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)相關(guān)磁性元件及電路板回路部分。

　　采用擴(kuò)散頻譜

　　最后，本文將探討另一項(xiàng)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(gè)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(kuò)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(shí)間了解EMI的復(fù)雜度，但是設(shè)計(jì)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(jì)屬性及波形分析。不論是設(shè)計(jì)汽車的開關(guān)穩(wěn)壓器，還是設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)出現(xiàn)的磁場及電場，并了解本文中所述的技術(shù)即可。