設(shè)計(jì)EMC兼容的汽車開關(guān)穩(wěn)壓器
加入技術(shù)交流群
伴隨這些先進(jìn)設(shè)備而來(lái)的，是對(duì)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(cè)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(shuō)，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(lái)愈受到廣泛使用，隨之而來(lái)的是對(duì)于電磁波干擾(EMI)無(wú)線射頻的憂慮，以及對(duì)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(jiǎn)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(lái)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(hào)線上或元件內(nèi)寄生電路元件的互動(dòng)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(dòng)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(hào)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(duì)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(wú)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(dòng)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。
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(duì)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(huì)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(huì)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(huì)違反FCC對(duì)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(cè)輸入來(lái)源高頻率元件而測(cè)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。
評(píng)論