《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電磁干擾 (EMI) 如何協(xié)助消費者在選擇汽車應(yīng)用中的開關(guān)轉(zhuǎn)換器時做出明智的決策

2023-08-24
作者:Diodes 公司 DC-DC 事業(yè)部資深營銷/應(yīng)用經(jīng)理 Tu Bui
來源:Diodes

  簡介

  在多種市場產(chǎn)品所使用的快速開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器中,電磁干擾 (EMI) 是個特別的問題。一臺能在一個系統(tǒng)中達到法規(guī)要求的轉(zhuǎn)換器不一定可以自動符合另一個系統(tǒng)的要求,。此外,系統(tǒng)也可能需要 EMI 濾波措施來達成法規(guī)要求,但這可能占用大量的整體系統(tǒng)空間,、體積和成本,,因此了解適用于不同產(chǎn)品應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。本文首先回顧開關(guān)轉(zhuǎn)換器中 EMI 的來源和類型,,接著說明工業(yè)和汽車市場產(chǎn)品監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)之間的差異,。最后,本文展示 Diodes 公司使用的技術(shù),,使其 DC-DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器能夠符合嚴(yán)格的汽車標(biāo)準(zhǔn),。

  開關(guān)轉(zhuǎn)換器中的 EMI 來源

  現(xiàn)代電源供應(yīng)器中的開關(guān)器具有非常快速的開關(guān)時間,,這代表了電壓和電流波形中的上升沿和下降沿變化更快,。這些急劇的邊緣變化會在高頻下產(chǎn)生大量能量,這是開關(guān)模式電源供應(yīng)器中 EMI 的主要來源,,這種高頻能量會導(dǎo)致電源供應(yīng)器內(nèi)的諧振槽產(chǎn)生振音,。EMI 發(fā)射有兩種類型:傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)發(fā)射是在連接到電源轉(zhuǎn)換器的電線和線路上產(chǎn)生的,。由于這種噪聲會被局限在電路中的特定端子或接頭,,因此良好的電路板配置操作和濾波器設(shè)計,可以在設(shè)計過程相對早期時便達成傳導(dǎo)發(fā)射要求,。然而,,輻射發(fā)射的處理則更具挑戰(zhàn)性,PCB 上所有承載電流的組件都會輻射電磁場,。電路板上的每條走線都是一個天線,,每個銅質(zhì)平面也都是一個諧振器;純正弦波或直流電壓以外的任何電壓,,都會在整個信號頻譜上產(chǎn)生噪聲,。即便經(jīng)過精心設(shè)計,電源供應(yīng)器設(shè)計人員也只有在系統(tǒng)經(jīng)過測試后,,才能了解輻射發(fā)射的危害有多大,。可惜的是,輻射發(fā)射測試只能在設(shè)計完成后進行,。濾波器可以通過衰減特定頻率下的信號強度來減輕 EMI,。加裝金屬屏蔽和磁性屏蔽也有助于減輕部分輻射發(fā)射,而鐵氧體磁珠和其他類型濾波器則可以幫助減少 PCB 走線的傳導(dǎo)發(fā)射,。雖然這些措施無法完全消除 EMI,,但可以使其衰減到不干擾其他通訊或數(shù)字組件的程度。

  傳導(dǎo)發(fā)射 EMI 標(biāo)準(zhǔn)

  許多監(jiān)管機構(gòu)對裝備產(chǎn)生的傳導(dǎo)和輻射發(fā)射的容許程度均有所監(jiān)管,,以維持電磁兼容性 (EMC),。

  消費性產(chǎn)品

  多年來,在歐盟境內(nèi)用于通訊和信息技術(shù) (IT) 終端設(shè)備的電源供應(yīng)器產(chǎn)品便符合著名的歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN 55022,,該標(biāo)準(zhǔn)主要來自 CISPR 22 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),。 不過,CISPR 22/EN 55022 近期已合并至 CISPR 32/EN 55032,。此新發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)涵蓋多媒體設(shè)備,,并已生效成為調(diào)和 EMC 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。EN 55022/32 Class A 和 Class B 傳導(dǎo)發(fā)射限制,,涵蓋 150kHz 至 30MHz 頻率范圍內(nèi)的準(zhǔn)峰值和平均信號偵測器,。用于住宅環(huán)境中的設(shè)備必須符合 Class B 限制,所有其他設(shè)備則必須符合 Class A 限制,。

  工業(yè)

  CISPR 11 是工業(yè),、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 射頻 (RF) EMI 的國際產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),適用于各種設(shè)備,,包括無線電力傳輸,、充電設(shè)備、Wi-Fi 系統(tǒng),、電磁爐和電弧焊機,。此外,部分工業(yè)終端設(shè)備還具備專用的系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn),,以依據(jù) CISPR 11 進行 EMC 測試。例如,,IEC 61131-2 規(guī)定了工廠自動化和流程控制應(yīng)用中廣泛使用的可程序邏輯控制器 (PLC) 發(fā)射要求,。其他系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)包括用于速度可調(diào)式馬達驅(qū)動系統(tǒng)的 EMC 規(guī)范 IEC 61800-3,以及適用于實驗室設(shè)備的 IEC 61326-1,。

  汽車

  對于汽車電子產(chǎn)品設(shè)計者而言,,相關(guān)傳導(dǎo)發(fā)射測試明確規(guī)范于 CISPR 25 中。此國際標(biāo)準(zhǔn)適用于汽車零部件和模塊,,使用一或兩套 5?H/50Ω 人工網(wǎng)絡(luò) (取決于接地配置) 進行測量,。該標(biāo)準(zhǔn)表示「車載接收器保護」不受特定頻段 (150kHz 至 108MHz) 頻率范圍內(nèi)測量的傳導(dǎo)噪聲影響。這些頻率范圍分布在 AM 廣播、FM 廣播和移動服務(wù)頻段中,,如圖 1 所示,。CISPR 25 規(guī)范了峰值 (PK)、準(zhǔn)峰值 (QP) 和平均 (AVG) 信號偵測器的傳導(dǎo)發(fā)射限制,。

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  圖 1. CISPR 25 Class 5 傳導(dǎo)發(fā)射限制

  表 1 顯示了 Class 5 的限制,,為 CISPR 25 中最嚴(yán)格的要求。這些限制相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性,,特別是 68MHz 至 108MHz 的 VHF 和 FM 頻段中的 18dBμV 平均值 (或 38dB?V 峰值) 限制,,因為濾波器組件中的寄生效應(yīng)會降低此類頻率下的 EMI 濾波器衰減。

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  表 1. 傳導(dǎo) EMI 限制

  表 2 顯示傳導(dǎo)發(fā)射適用標(biāo)準(zhǔn)摘要,。CISPR 標(biāo)準(zhǔn)適用于歐盟的產(chǎn)品,,而 FCC 則適用于美國的產(chǎn)品。

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  表 2. 傳導(dǎo)發(fā)射主要產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)摘要

  車用輻射發(fā)射 EMI 標(biāo)準(zhǔn)

  CISPR 25 規(guī)范涵蓋車輛中的無線電接收標(biāo)準(zhǔn),,因此對各種無線電服務(wù)的頻段定義了相關(guān)限制,。該標(biāo)準(zhǔn)包含使用車輛天線進行組件或模塊發(fā)射測量,以及整體車輛發(fā)射測試,。圖 2 顯示汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用組件/模塊使用峰值 (PK) 和 AVG 偵測器的 Class 5 輻射發(fā)射限制,。最低測量頻率針對 150kHz 至 300kHz 的歐洲長波 (LW) 廣播頻段,最高頻率為 2.5GHz (藍牙和 Wi-Fi 傳輸),。使用輸出阻抗為額定50Ω 的線性極化電場天線進行測量,。CISPR 25 的輻射發(fā)射測試標(biāo)準(zhǔn)比 FCC 或 CISPR22 更嚴(yán)格,接收器放置在距離被測裝置 (DUT) 1m 位置,,而 CISPR 22 則為 10m,。

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  圖 2. 使用內(nèi)襯吸波材料屏蔽圍體 (ALSE) 測試的 CISPR 25 Class 5 輻射限制

  符合汽車規(guī)格的 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器

  AP64350Q 是一款符合汽車規(guī)格的 3.5A 同步降壓轉(zhuǎn)換器,具備 3.8V 至 40V 的寬廣輸入電壓范圍,。該產(chǎn)品整合了 75mΩ 高側(cè)電源 MOSFET 和 45mΩ 低側(cè)電源 MOSFET,,提供高效率的 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換功能;此外,,本產(chǎn)品也精心設(shè)計了可降低 EMI 的功能,,包括專有的閘極驅(qū)動器方案,可在不犧牲 MOSFET 導(dǎo)通和關(guān)斷時間的情況下抑制開關(guān)節(jié)點振音,,以減少 MOSFET 開關(guān)引起的高頻輻射 EMI 噪聲,。AP64350Q 亦采用頻率展頻 (FSS) 技術(shù) (具有 ±6% 的開關(guān)頻率抖動),可避免發(fā)射的能量停留在任一頻率過久,,由此降低 EMI,。

  AP64350Q 已進行 EMI 測試,確保符合 CISPR 25 Class 5 傳導(dǎo)和輻射發(fā)射限制,。圖 3 顯示 500kHz 開關(guān)頻率下測試 AP64350Q 的濾波階段,。

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  圖 3. EMI 濾波階段示意圖

  測試期間較高的負載會導(dǎo)致更多的 EMI,,但此為意料之中。即便使用這些階段濾波器,,如果 DUT 使用屏蔽 (Shielding) 來抑制所有產(chǎn)生的噪聲,,但也只能有時能滿足 EMI 的限制。屏蔽層必須連接至 0V 以提供最佳的 EMI 效能,。通過接地屏蔽可以使 AP64350Q 符合所有 CISPR 25 Class 5 的限制,,如同表 3 所示。雖然使用共模(Common Mode) 電感器有助于提高 EMI 效能,,但因為大多數(shù)噪聲都是以差分形式產(chǎn)生的,,因此效果極小。

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  表 3. AP64350Q 降壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)和輻射發(fā)射測試結(jié)果

  結(jié)論

  傳導(dǎo)和輻射 EMI 與所有電子組件 (尤其是開關(guān)轉(zhuǎn)換器) 都有關(guān)系,,因此主管部門通過制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來控制其在不同市場和地區(qū)的影響,。CISPR 25 Class 5 規(guī)定了汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品中最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn),即便是設(shè)計良好的開關(guān)轉(zhuǎn)換器,,如果未采用多階段濾波和屏蔽技術(shù),,也可能無法滿足此標(biāo)準(zhǔn)。Diodes 公司的 AP64350Q 是一款符合汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用 CISPR 25 Class 5 限制的降壓轉(zhuǎn)換器,。



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