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電源模塊的電磁干擾設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2011-04-02

中心議題:
  • 電源轉(zhuǎn)換器的低EMI設(shè)計(jì)
解決方案
  • 熱性能、電磁干擾以及與PCB布局和電磁干擾相關(guān)的方案

電源設(shè)計(jì)中即使是普通的直流到直流開關(guān)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)都會(huì)出現(xiàn)一系列問題,尤其在高功率電源設(shè)計(jì)中更是如此。除功能性考慮以外,工程師必須保證設(shè)計(jì)的魯棒性,以符合成本目標(biāo)要求以及熱性能和空間限制,當(dāng)然同時(shí)還要保證設(shè)計(jì)的進(jìn)度。另外,出于產(chǎn)品規(guī)范和系統(tǒng)性能的考慮,電源產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)必須足夠低。不過,電源的電磁干擾水平卻是設(shè)計(jì)中最難精確預(yù)計(jì)的項(xiàng)目。有些人甚至認(rèn)為這簡直是不可能的,設(shè)計(jì)人員能做的最多就是在設(shè)計(jì)中進(jìn)行充分考慮,尤其在布局時(shí)。

盡管本文所討論的原理適用于廣泛的電源設(shè)計(jì),但我們在此只關(guān)注直流到直流的轉(zhuǎn)換器,因?yàn)樗膽?yīng)用相當(dāng)廣泛,幾乎每一位硬件工程師都會(huì)接觸到與它相關(guān)的工作,說不定什么時(shí)候就必須設(shè)計(jì)一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器。本文中我們將考慮與低電磁干擾設(shè)計(jì)相關(guān)的兩種常見的折中方案;熱性能、電磁干擾以及與PCB布局和電磁干擾相關(guān)的方案尺寸等。文中我們將使用一個(gè)簡單的降壓轉(zhuǎn)換器做例子,如圖1所示。

  

   圖1普通的降壓轉(zhuǎn)換器

在頻域內(nèi)測量輻射和傳導(dǎo)電磁干擾,這就是對(duì)已知波形做傅里葉級(jí)數(shù)展開,本文中我們著重考慮輻射電磁干擾性能。在同步降壓轉(zhuǎn)換器中,引起電磁干擾的主要開關(guān)波形是由Q1和Q2產(chǎn)生的,也就是每個(gè)場效應(yīng)管在其各自導(dǎo)通周期內(nèi)從漏極到源極的電流di/dt。圖2所示的電流波形(Q1on和Q2on)不是很規(guī)則的梯形,但是我們的操作自由度也就更大,因?yàn)閷?dǎo)體電流的過渡相對(duì)較慢,所以可以應(yīng)用HenryOtt經(jīng)典著作《電子系統(tǒng)中的噪聲降低技術(shù)》中的公式1。我們發(fā)現(xiàn),對(duì)于一個(gè)類似的波形,其上升和下降時(shí)間會(huì)直接影響諧波振幅或傅里葉系數(shù)(In)。

 

In=2IdSin(nπd)/nπd×Sin(nπtr/T)/nπtr/T(1)[page]


其中,n是諧波級(jí)次,T是周期,I是波形的峰值電流強(qiáng)度,d是占空比,而tr是tr或tf的最小值。

在實(shí)際應(yīng)用中,極有可能會(huì)同時(shí)遇到奇次和偶次諧波發(fā)射。如果只產(chǎn)生奇次諧波,那么波形的占空比必須精確為50%。而實(shí)際情況中極少有這樣的占空比精度。

諧波系列的電磁干擾幅度受Q1和Q2的通斷影響。在測量漏源電壓VDS的上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf,或流經(jīng)Q1和Q2的電流上升率di/dt時(shí),可以很明顯看到這一點(diǎn)。這也表示,我們可以很簡單地通過減緩Q1或Q2的通斷速度來降低電磁干擾水平。事實(shí)正是如此,延長開關(guān)時(shí)間的確對(duì)頻率高于f=1/πtr的諧波有很大影響。不過,此時(shí)必須在增加散熱和降低損耗間進(jìn)行折中。盡管如此,對(duì)這些參數(shù)加以控制仍是一個(gè)好方法,它有助于在電磁干擾和熱性能間取得平衡。具體可以通過增加一個(gè)小阻值電阻(通常小于5Ω)實(shí)現(xiàn),該電阻與Q1和Q2的柵極串聯(lián)即可控制tr和tf,你也可以給柵極電阻串聯(lián)一個(gè)"關(guān)斷二極管"來獨(dú)立控制過渡時(shí)間tr或tf(見圖3)。這其實(shí)是一個(gè)迭代過程,甚至連經(jīng)驗(yàn)最豐富的電源設(shè)計(jì)人員都使用這種方法。我們的最終目標(biāo)是通過放慢晶體管的通斷速度,使電磁干擾降低至可接受的水平,同時(shí)保證其溫度足夠低以確保穩(wěn)定性。

 


圖3用關(guān)聯(lián)二極管來控制過渡時(shí)間

開關(guān)節(jié)點(diǎn)的物理回路面積對(duì)于控制電磁干擾也非常重要。通常,出于PCB面積的考慮,設(shè)計(jì)者都希望結(jié)構(gòu)越緊湊越好,但是許多設(shè)計(jì)人員并不知道哪部分布局對(duì)電磁干擾的影響最大?;氐街暗慕祲悍€(wěn)壓器例子上,該例中有兩個(gè)回路節(jié)點(diǎn)(如圖4和圖5所示),它們的尺寸會(huì)直接影響到電磁干擾水平。

圖4 降壓穩(wěn)壓器模型1

圖5降壓穩(wěn)壓器模型2[page]


Ott關(guān)于不同模式電磁干擾水平的公式(2)示意了回路面積對(duì)電路電磁干擾水平產(chǎn)生的直接線性影響。

E=263×10-16(f2AI)(1/r)(2)

輻射場正比于下列參數(shù):涉及的諧波頻率(f,單位Hz)、回路面積(A,單位m2)、電流(I)和測量距離(r,單位m)。

此概念可以推廣到所有利用梯形波形進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的場合,不過本文僅討論電源設(shè)計(jì)。參考圖4中的交流模型,研究其回路電流流動(dòng)情況:起點(diǎn)為輸入電容器,然后在Q1導(dǎo)通期間流向Q1,再通過L1進(jìn)入輸出電容器,最后返回輸入電容器中。

當(dāng)Q1關(guān)斷、Q2導(dǎo)通時(shí),就形成了第二個(gè)回路。之后存儲(chǔ)在L1內(nèi)的能量流經(jīng)輸出電容器和Q2,如圖5所示。這些回路面積控制對(duì)于降低電磁干擾是很重要的,在PCB走線布線時(shí)就要預(yù)先考慮清器件的布局問題。當(dāng)然,回路面積能做到多小也是有實(shí)際限制的。

從公式2可以看出,減小開關(guān)節(jié)點(diǎn)的回路面積會(huì)有效降低電磁干擾水平。如果回路面積減小為原來的3倍,電磁干擾會(huì)降低9.5dB,如果減小為原來的10倍,則會(huì)降低20dB。設(shè)計(jì)時(shí),最好從最小化圖4和圖5所示的兩個(gè)回路節(jié)點(diǎn)的回路面積著手,細(xì)致考慮器件的布局問題,同時(shí)注意銅線連接問題。盡量避免同時(shí)使用PCB的兩面,因?yàn)橥讜?huì)使電感顯著增高,進(jìn)而帶來其他問題。

恰當(dāng)放置高頻輸入和輸出電容器的重要性常被忽略。若干年以前,我所在的公司曾把我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)讓給國外制造商。結(jié)果,我的工作職責(zé)也發(fā)生了很大變化,我成了一名顧問,幫助電源設(shè)計(jì)新手解決文中提到的一系列需要權(quán)衡的事宜及其他眾多問題。這里有一個(gè)含有集成鎮(zhèn)流器的離線式開關(guān)的設(shè)計(jì)例子:設(shè)計(jì)人員希望降低最終功率級(jí)中的電磁干擾。我只是簡單地將高頻輸出電容器移動(dòng)到更靠近輸出級(jí)的位置,其回路面積就大約只剩原來的一半,而電磁干擾就降低了約6dB。而這位設(shè)計(jì)者顯然不太懂得其中的道理,他稱那個(gè)電容為"魔法帽子",而事實(shí)上我們只是減小了開關(guān)節(jié)點(diǎn)的回路面積。

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