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(xué)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(slew rate)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,。
謹記電流經(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鳛樘炀€源和發(fā)射能量的電感降至最低,。其中一個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技術(shù)是噪聲屏蔽及噪聲擴散,，這些可在運用前文討論的技術(shù)之后用來提升噪聲容限。如果未達到EMC標準或噪聲容限不足,，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,，會產(chǎn)生電場,。通常通過導(dǎo)電機殼即可屏蔽電場，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),，而且在較高頻率時的效果不佳,。因此，應(yīng)該謹慎設(shè)計相關(guān)磁性元件及電路板回路部分,。
采用擴散頻譜
最后,，本文將探討另一項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)
您可以花很長的時間了解EMI的復(fù)雜度，但是設(shè)計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)計屬性及波形分析,。不論是設(shè)計汽車的開關(guān)穩(wěn)壓器,，還是設(shè)計不使用電池的開關(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/電流時出現(xiàn)的磁場及電場,，并了解本文中所述的技術(shù)即可,。