DC/DC轉(zhuǎn)換器傳導(dǎo)EMI-第2部分，噪聲傳播和濾波

簡(jiǎn)介

高開關(guān)頻率是在電源轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展過程中促進(jìn)尺寸減小的主要因素。為了符合相關(guān)法規(guī)，通常需要采用電磁干擾 (EMI) 濾波器，而該濾波器通常在系統(tǒng)總體尺寸和體積中占據(jù)很大一部分，因此了解高頻轉(zhuǎn)換器的 EMI 特性至關(guān)重要。

在本系列文章的第 2 部分，您將了解差模 (DM) 和共模 (CM) 傳導(dǎo)發(fā)射噪聲分量的噪聲源和傳播路徑，從而深入了解 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo) EMI 特性。本部分將介紹如何從總噪聲測(cè)量結(jié)果中分離出 DM/CM 噪聲，并將以升壓轉(zhuǎn)換器為例，重點(diǎn)介紹適用于汽車應(yīng)用的主要 CM 噪聲傳導(dǎo)路徑。

DM 和 CM 傳導(dǎo)干擾

DM 和 CM 信號(hào)代表兩種形式的傳導(dǎo)發(fā)射。DM 電流通常稱為對(duì)稱模式信號(hào)或橫向信號(hào)，而CM電流通常稱為非對(duì)稱模式信號(hào)或縱向信號(hào)。圖 1 顯示了同步降壓和升壓DC/DC拓?fù)渲械腄M和CM電流路徑。Y電容C_Y1 和C_Y2 分別從正負(fù)電源線連接到GND，輕松形成了完整的CM電流傳播路徑 ^[1]。

圖 1：同步降壓 (a) 和升壓 (b) 轉(zhuǎn)換器 DM 和 CM 傳導(dǎo)噪聲路徑。

DM 傳導(dǎo)噪聲

DM 噪聲電流 (I_DM) 由轉(zhuǎn)換器固有開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生，并在正負(fù)電源線 L1 和 L2 中以相反方向流動(dòng)。DM 傳導(dǎo)發(fā)射為“電流驅(qū)動(dòng)型”，與開關(guān)電流 (di/dt)、磁場(chǎng)和低阻抗相關(guān)。DM 噪聲通常在較小的回路區(qū)域流動(dòng)，返回路徑封閉且緊湊。

例如，在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 下，降壓轉(zhuǎn)換器會(huì)產(chǎn)生一種梯形電流，且這種電流中諧波比較多。這些諧波在電源線上會(huì)表現(xiàn)為噪聲。降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電容（圖 1 中的 C_IN）有助于濾除這些高階電流諧波，但由于電容的非理想寄生特性（等效串聯(lián)電感 (ESL) 和等效串聯(lián)電阻 (ESR)），有些諧波難免會(huì)以 DM 噪聲形式出現(xiàn)在電源電流中，即使在添加實(shí)用的 EMI 輸入濾波器級(jí)之后也于事無補(bǔ)。

CM 傳導(dǎo)噪聲

另一方面，CM 噪聲電流 (I_CM) 會(huì)流入接地 GND 線并通過 L1 和 L2 電源線返回。CM 傳導(dǎo)發(fā)射為“電壓驅(qū)動(dòng)型”，與高轉(zhuǎn)換率電壓 (dv/dt)、電場(chǎng)和高阻抗相關(guān)。在非隔離式 DC/DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，由于 SW 節(jié)點(diǎn)處的 dv/dt 較高，產(chǎn)生了 CM 噪聲，從而導(dǎo)致產(chǎn)生位移電流。該電流通過與 MOSFET 外殼、散熱器和 SW 節(jié)點(diǎn)走線相關(guān)的寄生電容耦合到 GND 系統(tǒng)。與轉(zhuǎn)換器輸入或輸出端的接線較長(zhǎng)相關(guān)的耦合電容也可能構(gòu)成 CM 噪聲路徑。

圖 1 中的 CM 電流通過輸入 EMI 濾波器的 Y 電容（CY1 和 CY2）返回。另一條返回路徑為，通過 LISN 裝置（在本系列文章的第 1 部分中討論過）的 50Ω 測(cè)量阻抗返回，這顯然是不合需要的。盡管 CM 電流的幅值遠(yuǎn)小于 DM 電流，但相對(duì)來說更難以處理，因?yàn)樗ǔＴ谳^大的傳導(dǎo)回路區(qū)域流動(dòng)，如同天線一般，可能增加輻射 EMI。

圖 2 顯示了 Fly-Buck（隔離式降壓）轉(zhuǎn)換器的 DM 和 CM 傳導(dǎo)路徑。CM 電流通過變壓器 T₁ 的集總繞組間電容（圖 2 中的 C_PS）流到二次側(cè)，并通過接地 GND 連接返回。圖 2 還顯示了 CM 傳播的簡(jiǎn)化等效電路。

圖 2：Fly-Buck 隔離式轉(zhuǎn)換器 DM 和 CM 傳導(dǎo)噪聲傳播路徑 (a)；CM 等效電路 (b)。

在實(shí)際的轉(zhuǎn)換器中，以下元件寄生效應(yīng)均會(huì)影響電壓和電流波形以及 CM 噪聲：

? MOSFET 輸出電容 (C_OSS)。

? 整流二極管結(jié)電容 (C_D)。

? 主電感繞組的等效并聯(lián)電容 (EPC)。

? 輸入和輸出電容的等效串聯(lián)電感 (ESL)。

相關(guān)內(nèi)容，我將在第 3 部分中進(jìn)一步詳細(xì)介紹。

噪聲源和傳播路徑

正如第 1 部分所述，測(cè)量 DC/DC 轉(zhuǎn)換器傳導(dǎo)發(fā)射（對(duì)于 CISPR 32 標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定帶寬范圍為 150kHz 至 30MHz；對(duì)于 CISPR 25 標(biāo)準(zhǔn)，則規(guī)定頻率范圍為更寬的 150kHz 至 108MHz）時(shí)，測(cè)量的是每條電源線上 50Ω LISN 電阻兩端相對(duì)于接地 GND 的總噪聲電壓或“非對(duì)稱”干擾 ^[1]。

圖 3 顯示了 EMI 噪聲的產(chǎn)生、傳播和測(cè)量模型 ^[1]。噪聲源電壓用 VN 表示，噪聲源和傳播路徑阻抗分別用 ZS 和 ZP 表示。LISN 和 EMI 接收器的高頻等效電路僅為兩個(gè) 50Ω 電阻。圖 3 還顯示了相應(yīng)的 DM 和 CM 噪聲電壓 V_DM 和 V_CM，它們由兩條電源線的總噪聲電壓 V₁ 和 V₂ 計(jì)算得出。DM（或“對(duì)稱”）電壓分量定義為 V₁ 和 V₂ 矢量差的一半；而 CM（或“非對(duì)稱”）電壓分量定義為 V₁ 和 V₂ 矢量和的一半 ^[2]。請(qǐng)注意，本文提供的 V_DM 通用定義與 CISPR 16 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的值相比，可能存在 6dB 的偏差。

圖 3：傳導(dǎo) EMI 發(fā)射模型，其中顯示了噪聲源電壓、噪聲傳播路徑和 LISN 等效電路。

CM 噪聲源阻抗主要是容性阻抗，并且 Z_CM 隨頻率的增大而減小。而 DM 噪聲源阻抗通常為阻性和感性阻抗，并且 Z_DM 隨頻率的增大而增大。

要降低傳導(dǎo)噪聲水平，確保噪聲源本身產(chǎn)生較少的噪聲是其中的一種方法。對(duì)于噪聲傳播路徑，可以通過濾波或其他方法調(diào)整阻抗，從而減小相應(yīng)的電流。例如，要降低降壓或升壓轉(zhuǎn)換器中的 CM 噪聲，需要降低 SW 節(jié)點(diǎn) dv/dt（噪聲源）、通過減小接地寄生電容來增大阻抗、或者使用 Y 電容和/或 CM 扼流器進(jìn)行濾波。本系列文章的第 4 部分將詳細(xì)介紹 EMI 抑制技術(shù)分類。

DM 和 CM EMI 濾波

無源 EMI 濾波是最常用的 EMI 噪聲抑制方法。顧名思義，這類濾波器僅采用無源元件。將這類濾波器設(shè)計(jì)用于電力電子設(shè)備時(shí)特別具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)闉V波器端接的噪聲源（開關(guān)轉(zhuǎn)換器）和負(fù)載（電線線）阻抗是不斷變化的 ^{[2] [3]}。

圖 4a 顯示了傳統(tǒng)的型 EMI 輸入濾波器，以及整流和瞬態(tài)電壓鉗位功能（為直流/交流輸入供電的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供 EMC 保護(hù)）。此外，圖 4 還包括本系列文章第 1 部分中的 LISN 高頻等效電路。

圖 4：傳統(tǒng)的 EMC 輸入濾波器 (a)，包括 DM 等效電路 (b) 和 CM 等效電路 (c)。

典型 EMI 濾波器的兩個(gè) CM 繞組相互耦合，這兩個(gè)繞組的 CM 電感分別為 L_CM1 和 L_CM2。DM 電感 L_DM1和 L_DM2分別是兩個(gè)耦合的 CM 繞組的漏電感，并且還可能包括分立的 DM 電感。C_X1和 C_X2為 DM 濾波器電容，而C_Y1和C_Y2為 CM 濾波器電容。

通過將 EMI 濾波器去耦為 DM 等效電路和 CM 等效電路，可簡(jiǎn)化其設(shè)計(jì)。然后，可以分別分析濾波器的 DM 和 CM 衰減。去耦基于這樣的假設(shè)，即 EMI 濾波器具有完美對(duì)稱的電路結(jié)構(gòu)。在實(shí)現(xiàn)的對(duì)稱濾波器中，假設(shè) L_CM1 = L_CM2= L_CM，C_Y1 = C_Y2 = C_Y，L_DM1 = L_DM2 = L_DM，并且印刷電路板 (PCB) 布局也完美對(duì)稱。DM 等效電路和 CM 等效電路分別如圖 4b 和圖 4c 所示 ^[4]。

但是，嚴(yán)格來說，實(shí)際情況下并不存在完美對(duì)稱，因此 DM 和 CM 濾波器并不能完全去耦。而結(jié)構(gòu)不對(duì)稱可能導(dǎo)致 DM 噪聲轉(zhuǎn)變成 CM 噪聲，或者 CM 噪聲轉(zhuǎn)變成 DM 噪聲。通常，與轉(zhuǎn)換器噪聲源和 EMI 濾波器參數(shù)相關(guān)的不平衡性可能導(dǎo)致這種模式轉(zhuǎn)變 ^[5]。

DM 和 CM 噪聲分離

傳導(dǎo) EMI 的初始測(cè)量結(jié)果通常顯示 EMI 濾波器衰減不足。為了獲得適當(dāng)?shù)?EMI 濾波器設(shè)計(jì)，必須獨(dú)立研究待測(cè)設(shè)備 (EUT) 產(chǎn)生的傳導(dǎo)發(fā)射的 DM 和 CM 噪聲電壓分量。

將 DM 和 CM 分開處理有助于確定相關(guān) EMI 源并對(duì)其進(jìn)行故障排除，從而簡(jiǎn)化 EMI 濾波器設(shè)計(jì)流程。正如我在上一部分強(qiáng)調(diào)的那樣，EMI 濾波器采用了截然不同的濾波器元件來抑制 DM 和 CM 發(fā)射。在這種情況下，一種常見的診斷檢查方法是將傳導(dǎo)噪聲分離為 DM 噪聲電壓和 CM 噪聲電壓。

圖5 顯示了無源和有源兩種實(shí)現(xiàn)形式的 DM/CM 分離器電路，該電路有助于直接同時(shí)測(cè)量 DM 和 CM 發(fā)射。圖 5a 中的無源分離器電路^[4] 使用寬帶 RF 變壓器（如 Coilcraft 的 SWB1010 系列）在 EMI 覆蓋的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可接受的分離結(jié)果，其中 T₁ 和 T₂ 的特征阻抗 (Z_O) 分別為 50Ω 和 100Ω。將一個(gè) 50Ω 的電阻與 DM 輸出端口的頻譜分析儀的輸入阻抗串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)圖 3 中提供的 V_DM 表達(dá)式的“除 2”功能。

圖5：實(shí)現(xiàn)的用于分離 DM/CM 噪聲的無源 (a) 和有源 (b) 電路。

圖 5b 展示的是使用低噪聲、高帶寬運(yùn)算放大器的有源分離器電路 ^[6]。U₁ 和 U₂實(shí)現(xiàn)了 LISN 輸出的理想輸入阻抗矩陣，而 U₃ 和 U₄ 分別提供 CM 和 DM 電壓。L_CM 是一個(gè) CM 線路濾波器（例如 Würth Elektronik 744222），位于差分放大器 U₄ 的輸入端，用于增大 DM 結(jié)果的 CM 抑制比（共模抑制比)最大限度地減少 CM/DM 交叉耦合。

實(shí)際電路示例 - 汽車同步升壓轉(zhuǎn)換器

考慮圖 6 中所示的同步升壓轉(zhuǎn)換器。該電路在汽車應(yīng)用中很常見，通常作為預(yù)升壓穩(wěn)壓器在冷啟動(dòng)或瞬態(tài)欠壓條件下保持電池電壓供應(yīng) ^[7]。

圖 6：汽車同步升壓轉(zhuǎn)換器（采用 50Ω/5μH LISN，用于 CISPR 25 EMI 測(cè)試）。

在車輛底盤接地端直接連接一個(gè) MOSFET 散熱器，可以提高轉(zhuǎn)換器的熱性能和可靠性，但共模 EMI 性能會(huì)受到影響。圖 6 所示的原理圖中，包含升壓轉(zhuǎn)換器以及 CISPR 25 建議采用的兩個(gè) LISN 電路（分別連接在 L1 和 L2 輸入線上）。

考慮到升壓轉(zhuǎn)換器的 CM 噪聲傳播路徑，圖 7 將 MOSFET Q₁ 和 Q₂ 替換為等效的交流電壓流和電流源 ^[8]。圖 7 中，還呈現(xiàn)了與升壓電感 L_F、輸入電容 C_IN 和輸出電容 C_OUT 相關(guān)的寄生分量部分。特別是 C_RL-GND，它是負(fù)載電路與底盤 GND 之間的寄生電容，包括長(zhǎng)負(fù)載線和布線以及下游負(fù)載配置（例如，二次側(cè)輸出連接到底盤接地的隔離式轉(zhuǎn)換器，或者用大型金屬外殼固定到底盤上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）所產(chǎn)生的寄生電容。

圖 7：具有 LISN 的同步升壓拓?fù)涞母哳l等效電路。只有在 LISN 中流動(dòng)的 CM 電流路徑與 CM 發(fā)射測(cè)量相關(guān)。

漏源開關(guān)（SW 節(jié)點(diǎn)）電壓的上升沿和下降沿代表主要的 CM 噪聲源。C_P1 和 C_P2 分別代表 SW 與底盤之間以及 SW 與散熱器之間的有效寄生電容。圖 8 顯示了 SW 節(jié)點(diǎn)電容（電場(chǎng)）耦合為主要 CM 傳播路徑時(shí)簡(jiǎn)化的 CM 噪聲等效電路。

圖 8：連有 LISN 的同步升壓電路及其簡(jiǎn)化 CM 等效電路。

總結(jié)

對(duì)于電力電子工程師而言，了解各種電源級(jí)拓?fù)渲?DM 和 CM 電流的相關(guān)傳播路徑（包括與高 dv/dt 和 di/dt 開關(guān)相關(guān)的電容（電場(chǎng)）和電感（磁場(chǎng)）耦合）非常重要。在 EMI 測(cè)試過程中，將 DM 和 CM 發(fā)射分開處理有助于對(duì)相關(guān) EMI 源進(jìn)行故障排除，從而簡(jiǎn)化 EMI 濾波器設(shè)計(jì)流程。

在即將發(fā)表的本系列文章第三部分中，將全面介紹影響轉(zhuǎn)換器開關(guān)性能和 EMI 信號(hào)的電路元件寄生部分。