鉅大LARGE | 點擊量：775次 | 2019年12月27日
設(shè)計EMC兼容的汽車開關(guān)穩(wěn)壓器
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馬達取代取代燃氣罐和內(nèi)燃機。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，其中一項是達到電磁兼容性測試（EMC）的嚴格標準。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)不合時宜。更準確地說，線性穩(wěn)壓器使得輸出電壓降低而導(dǎo)致負載電流增加。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)學運算的直覺方式，探討成功實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓器的基本因素，主要包括：斜率（slewrate）控制、濾波器設(shè)計、元件選用、配置、噪聲擴散及屏蔽。
用簡單方法實現(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EMI兼容的開關(guān)穩(wěn)壓器。事實上，與EMI有關(guān)的所有問題都來源于未完全達到開關(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，若要達到可觀的效率，開關(guān)節(jié)點的電壓斜率應(yīng)該只占導(dǎo)通時間的一小段，例如1/12以下。連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）下運作的降壓轉(zhuǎn)換器導(dǎo)通時間為D/fsw，其中D是負載周期或脈寬調(diào)制（PWM）信號開啟時間百分比與整段時間的比值（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，我們很快計算出導(dǎo)通時間為1.8μs。為支持此頻率，控制開關(guān)的上升/下降時間必須小于90納秒。這使得我們注意到第一個減少噪聲的方法，也就是斜率控制。您可能還無法理解，但是此時我們非常了解與PWM切換節(jié)點有關(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算梯形波形導(dǎo)通時間及上升時間取得的諧波振幅。
觀察頻域時，可看出相等上升和下降時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）的第一個轉(zhuǎn)折點（導(dǎo)通時間）減至20dB/dec，并且在1/（π×tr）的第二個轉(zhuǎn)折點減至40dB/dec。因此，限制開關(guān)節(jié)點波形的斜率會對減少發(fā)射量具有重大影響。通過這項探討，應(yīng)該能夠清楚顯示降低運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)范的其中一個難點與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頻段上下運作。
負載周期重要嗎？
另一項重要因素是，如果負載周期剛好是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%負載周期運作是最壞的情況。在50%上下的負載周期，即使出現(xiàn)諧波，也會發(fā)生自然的EMI擴散。
EMI及EMC標準
您可以將EMI視為不適宜的能量，而這個能量不需要太多就有可能違反發(fā)射標準。事實上，EMI是相當?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?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)變成截止狀態(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)過適當補償?shù)碾娫垂?yīng)是達到良好噪聲性能的關(guān)鍵。
