功率轉換拓樸架構及EMI噪聲

所有的電子設備都是以直流電供電的，通常是經(jīng)過 AC 整流。再由 DC-DC 轉換器轉壓，轉到負載所需的電壓。目前，大部份的 DC-DC 轉換器己普遍以高頻率的開關技術為基礎，有效的高頻率開關一直被視為模塊功率密度大小，性能表現(xiàn)優(yōu)劣的關鍵。開關頻率愈高，所用的磁性元件和電容愈小，反應時間更快，噪聲更低，所需濾波器較細小。

但是所有的 DC-DC 轉換器還是會產(chǎn)生電磁干擾 (EMI) 或者噪聲的，而所產(chǎn)生的噪聲水平，不論是共模的，差模的或者是輻射噪聲，會因為不同的生產(chǎn)廠，或者是采用不同的轉換技術而產(chǎn)生很大的差異，這些差別的根源在于這些噪聲是如何產(chǎn)生的。

雖然沒有一種功率轉換拓樸結構是完美的，但有些拓樸結構是特別配合某些應用要求的。市面上有上百種的DC-DC 轉換器，各有不同的設計和拓撲結構，大體可以歸為兩大類：脈寬調制式 (PWM) 和準諧振零電流開關 (ZCS) 兩種。

要完全了解數(shù)量這么多的拓樸結構是非常艱巨的任務，本文只著重分析兩種主流拓樸結構的噪聲表現(xiàn)。具體比較固定頻率 DC-DC 轉換器 (PWM) 和變頻準諧振 DC-DC 轉換器 (零電流 ZCS) 的表現(xiàn)。

脈寬調制式與準諧振零電流開關的比較

脈寬調制式 (PWM) 模塊的功率密度是有局限的，因為它需要在工作效率和開關頻率間作取舍。問題的核心在于“開關損耗”。開關元件在瞬時導通和關斷時，使電感電流產(chǎn)生不連續(xù)性的狀態(tài)，因而產(chǎn)生熱量。由開關損耗引發(fā)的功耗，會直接隨著脈寬調制式模塊的開關頻率增高而增大，直至它變?yōu)橐粋€顯著的耗損成因，達到了那一點，效率會迅速減低，開關元件所承受的熱及電能應力變得無法處理。這種非零電流開關模塊具有開關損耗的屬性，變?yōu)殚_關頻率障礙，限制了它提升功率密度的能力。

準諧振的零電流開關轉換器采用正向開關拓樸，只在電流經(jīng)過零的時侯才開關，克服了開關頻率障礙。每個開關周期傳送等量的“能量包”到模塊的輸出端。每個“開” 與“關”都在零電流的瞬間進行，形成一種近于沒有功耗的開關。零電流開關轉換器的工作頻率可超出 1 MHz。它避免了傳統(tǒng)拓樸結構那不連續(xù)性電流的特性；實現(xiàn)“無功耗” 的把能量由輸入傳輸至輸出，大大減低傳導和輻射噪聲。

由 PWM 和 ZCS 轉換器衍生出來的噪聲是有很大分別的。圖1 比較 PWM 和 ZCS 轉換器的傳導噪聲，很明顯的，ZCS 轉換器的波形是一個正弦波而不是方波。此外，由于電流的波形沒有幾乎垂直上升和下降的尖削部份， 而且諧波含量較低，減少寄生元件的應力，因而噪聲更低。相反，PWM 的輸入電壓是以固定頻率開關 (一般是數(shù)百 kHz)，做成一連串的脈沖，利用調節(jié)脈沖的寬度來為負載提供正確的輸出電壓及足夠的電流。滿載時，電流的波形好像是一個方波 (圖2)。

圖1 – 帶共模扼流圈的零電流開關轉換器 (圖左) 和帶濾波器的脈寬調制轉換器 (圖右) 的傳導輸入噪聲頻譜。

圖2 - 零電流開關和脈寬調制式架構的電流波形

很多電源工程師都以為，濾掉固定頻率轉換器所產(chǎn)生的噪聲比濾掉變頻轉換器的來得容易，事實剛好相反 1。 這只是“固定頻率”這名詞帶來的錯覺?；旧鲜莻€“誤稱”。因為兩個架構都同時擁有大體固定頻率的元素，和因應操作點而改變的不固定頻率元素。

轉換器規(guī)格: 48 V 輸入，5 V 輸出，30A?！　?/p>

圖2 比較電流流到主開關的波型圖。準諧振轉換器的頻寬或導通時間 T1 是固定的，而開關頻率 T2 是可變的。相反， PWM 轉換器的開關周期是固定的，而頻寬是可變的。圖3 顯示這兩個拓撲產(chǎn)生的噪聲圖譜。

圖3 – PWM (上圖）和零電流開關（下圖）的電流波形和頻譜。注：波形并不按比例繪制。

然而，在變頻的設計，因為它基本上是一個半波整流的正弦波，沒有涉及電流波型的上升及下降陡邊的高頻份量。因此，變頻轉換器的波型頻譜幅度較低，帶寬也較窄。

在 PWM 變換器，大部分能量是在固定頻率及其奇數(shù)倍數(shù)z諧波{上的。一個100 kHz 的 PWM 變換器，它的傳導噪聲主要在 100 kHz，有一些在 300 和 500 kHz。因為它是方波，在10 – 30 MHz 間有明顯的諧波，也就是高的 di/dt 激發(fā)了轉換器內的寄生元件。需預備足夠的輸入濾波器來濾掉滿載時的 100 kHz 噪聲。這些轉換器的波形，頻譜噪聲水平較高，諧波分布范圍較廣。

顯然，如要盡量減少DC-DC轉換器的噪聲，第一個步驟應是選擇一個合適的拓撲架構，如固有共模噪聲較低的零電流開關。此外，在噪聲敏感的應用，應避免使用具以下特性的轉換器。如把控制器件安裝在銅板，這樣會使把初級控制元件和次級控制元件間，透過銅板產(chǎn)生寄生電容，因而形成更高幅度的共模噪聲。

無源 EMI 濾波器

雖然，電源模塊通常會帶內部輸入和輸出濾波器；但如果要滿足系統(tǒng)要求，或需要符合認可的規(guī)格如 FCC，以及歐盟有關電源系統(tǒng)傳導到電網(wǎng)的噪聲標準，便需要外加濾波器。許多電源工程師會自己動手設計方案，大部份 DC-DC 轉換器制造商會提供詳細的應用筆記，并派出具豐富知識和經(jīng)驗應用工程師協(xié)助解決這些問題。此外，還有一些 DC-DC 轉換器的供應商，提供交流前端和 EMI 濾波器模塊。使用這些過濾器模塊不僅節(jié)省時間，而且質量，性能比較有保證。這些 EMI 濾波器是專為配合供應商的轉換器模塊而設計的，只要布線妥當，把轉換器模塊和濾波器配套使用， 保證能滿足特定的 EMC 規(guī)格。

在美國和歐洲，傳導噪聲是按 FCC 和 VDE 標準A 級和B 級限制嚴格規(guī)管的。在美國，工業(yè)設備的傳導噪聲應滿足 FCC 標準 A 級要求，家用電器的傳導噪聲應滿足更嚴格的 FCC B 級要求。在歐洲，所有國家均要求工業(yè)設備和家用電器符合 EN55022 (或 VDE) B 級標準。

現(xiàn)時多數(shù)的開關電源的開關頻率在 100 kHz 至 1 MHz 之間。通常反射到電網(wǎng)之傳導噪聲頻譜上的主要尖峰來自開關頻率之基頻及其諧波分量。

這些傳導噪聲標準，如 EN55011 和 EN55022，規(guī)范了從轉換器反射到電網(wǎng)的傳導噪聲在 150 KHz 至 30 MHz 頻帶間不能超過規(guī)定之上限。要符合這些要求，所有傳導噪聲，即頻譜上的尖點部份，必須低于規(guī)定的限度。

這些 EMI 濾波器通常是造成一個器件，(配置與圖4 相似) 。它是一個帶穿孔引腳的器件，內配共模扼流圈和 Y-電容器 (線到地)，另加兩個電感器和一個 X-電容器（線到線）。由 Z1 提供瞬變保護，這樣子的濾波器有足夠的衰減能力，可以符合級別 B 的傳導噪聲限制。

圖4 –符合EN55022，B級標準的EMI輸入濾波器

此外，電容器、電感器，和濾波器（有源和無源）等器件都是經(jīng)常用來衰減傳導噪聲的 (無論是共?；虿钅Ｔ肼? 。下文會討論把各種器件遂一加上后的濾波表現(xiàn)，并提出一種新的 EMI 方案。

圖5a 左邊顯示一個 48 V DC-DC 轉換器，在輸入端接上一個差模電容 C1。 這個單一的 120 F，100 V 電解電容，是用來保持低輸入阻抗，穩(wěn)定電壓和確保良好的瞬變反應。它為模塊儲能，應盡量靠近輸入端，達到最佳效果。

以這個配置為起點，圖5a 右邊顯示一個 48 V 輸入，150 W 滿載工作的 DC-DC 轉換器連接一個差模電容后的諧波水平，以及按級別 A 及 B 要求的EMI 和諧波標準。明顯地，只加上一個差模電容，是不能滿足要求的。

圖5b 顯示加上旁路電容及差模電容的情形，噪聲水平雖仍未能達到標準，但已有很明顯的改善。注意每個接在輸入和輸出端上的旁路電容是與基板接地的。這些電容是業(yè)內常用的 4700 pF，100 V 的 Y-電容。Y-電容對衰減轉換器衍生出來的噪聲是十分有效的。

48 V 轉換器滿載時所產(chǎn)生的噪聲是較高的，它比一個 3.3 V 半載的轉換器要高。無論如何，在圖5b 可以看到明顯的改善。

再加上一個 27 micro;H 的差模電感 L1，在圖5c 看到，48 V 轉換器在低頻部份仍然不達標，噪聲水平還是高于 B 級的限制。

圖5d，是用共模扼流圈取代差模扼流圈，共模扼流圈本身也具差模電感，可取代差模扼流圈。共模扼流圈可以增大 Y-電容的衰減能力，因為共模扼流圈對轉換器產(chǎn)生之共模噪聲形成高阻抗，使噪聲沿著較低阻抗之路徑，經(jīng) Y-電容傳到大地。

圖5 - 48 V, 150 W DC-DC轉換器接上不同器件的噪聲頻譜。

a.差模電容 b.旁路電容 c.差模電感 d.共模濾波器 (去掉差模扼流圈)

48 V 轉換器的噪聲現(xiàn)在只是稍稍高于級別 B 標準，需要稍稍加些濾波器。3.3 V 轉換器加共模濾波器以后，無論是滿載或半載，都完全符合級別 B 的標準了。

有源 EMI 濾波器。電子行業(yè)不斷要求產(chǎn)品體積更小巧，和擁有更多功能，這趨勢已是不可逆轉的。系統(tǒng)的體積不斷壓縮，要把更多的功能擠在板上或者是機架內，儀器之間互相干擾的機會大增。由于頻率增加和電壓水平下降，電磁干擾控制，成為一個非常重要的設計任務。要把電磁干擾好好的控制，是十分復雜的事情，整個設計受到多種因素影響，要用上多種濾波器 (有源或無源的) 來把傳導噪聲管理好。

與無源濾波方案比較，有源濾波器可減少共模扼流圈所占用的空間，令整個元件體積只有1 x 1 x 0.2，是非常纖薄的表面貼裝的元件?？偟膩碚f這方案節(jié)省占用電路板空間，而且元件很薄，可讓空氣在上面流動，幫助散熱。

有源 EMI 濾波器 (見圖6 QPI) 可衰減 150 KHz 至 30 MHz 間的共模及差模噪聲，滿足 EN55022 (CISPR22)要求。

圖6 - 有源濾波器 (QP1) 與 DC-DC 轉換器連接圖。

Cin，C1，C2，C3 及 C4 的值應由 DC-DC 轉換器生產(chǎn)廠提供。

圖7 是連上有源濾波器與沒有連上濾波器的噪聲測試圖。測試條件按 CISPR22 標準。結果顯示帶載的 DC-DC 轉換器，它的總噪聲低于 EN55022 級別 B 準波峰檢測水平，顯示有源濾波器有效的濾掉傳導噪聲。

圖7- DC-DC轉換器傳導 EMI 噪聲。

連上有源濾波器 (下圖);沒有濾波器 (上圖)

選擇和評定 EMI 濾波器時，設計人員應該留意，他們必須測試濾波器用在他們的產(chǎn)品上的表現(xiàn)，而且測試裝置及條件必須符合其產(chǎn)品所須遵循的 EMI 標準。在選擇濾波器和合適的設計時，應參考未加濾波器時波幅和頻譜。

一個產(chǎn)品的傳導噪聲，應包含差模和共模噪聲，可能還包括輻射噪聲，那要取決于 EUT 屏蔽和布線屏蔽的測量裝置。IEC 國際電工委員會的 CISPR 16-2-1，列明量度傳導干擾的方法。

濾波器的性能是非常依賴輸入母線和負載阻抗的。并不能單從零偏壓，50 插入損耗數(shù)據(jù)推斷出來。濾波元件, 儀器接地，以及噪聲源阻抗等都會影響最后的噪聲表現(xiàn), 會改變相關頻譜的幅度和相位。

有源 EMI 濾波器，可衰減 150 KHz 至 30 MHz 間的共模及差模噪聲，滿足 EN55022 要求。它透過感應流向母線的共模電流，在屏蔽板產(chǎn)生低阻抗，把噪聲引導到產(chǎn)生噪聲的源頭。當有源 EMI 濾波器按圖6 所示連接妥當，控制回路會主動的驅動屏蔽腳，減少在母線內的共模電流，直到共模電流值衰減至如圖7 所示水平。

1. L. Hsiu, M. Goldman, R. Carlsten, A. Witulski, and W. Kerwin, “Characterization and Comparison of Noise Generation for Quasi-Resonant and Pulse width-Modulated Converters”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 9, No. 4, July 1994.