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          如何平衡電源模塊中低電磁干擾的設(shè)計

          作者: 時間:2013-09-25 來源:網(wǎng)絡 收藏


            電源設(shè)計中即使是普通的直流到直流開關(guān)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計都會出現(xiàn)一系列問題,尤其在高功率電源設(shè)計中更是如此。除功能性考慮以外,工程師必須保證設(shè)計的魯棒性,以符合成本目標要求以及熱性能和空間限制,當然同時還要保證設(shè)計的進度。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(EMI)必須足夠低。不過,電源的水平卻是設(shè)計中最難精確預計的項目。有些人甚至認為這簡直是不可能的,設(shè)計人員能做的最多就是在設(shè)計中進行充分考慮,尤其在布局時。

          本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/228222.htm

            盡管本文所討論的原理適用于廣泛的電源設(shè)計,但我們在此只關(guān)注直流到直流的轉(zhuǎn)換器,因為它的應用相當廣泛,幾乎每一位硬件工程師都會接觸到與它相關(guān)的工作,說不定什么時候就必須設(shè)計一個電源轉(zhuǎn)換器。本文中我們將考慮與低設(shè)計相關(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簡單的降壓轉(zhuǎn)換器做例子,如圖1所示。

          如何平衡電源模塊中低電磁干擾的設(shè)計

            圖1.普通的降壓轉(zhuǎn)換器

            在頻域內(nèi)測量輻射和傳導電磁干擾,這就是對已知波形做傅里葉級數(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,也就是每個場效應管在其各自導通周期內(nèi)從漏極到源極的電流di/dt。圖2所示的電流波形(Q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,因為導體電流的過渡相對較慢,所以可以應用Henry Ott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),對于一個類似的波形,其上升和下降時間會直接影響諧波振幅或傅里葉系數(shù)(In)。

          如何平衡電源模塊中低電磁干擾的設(shè)計

            圖2.Q1和Q2的波形

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

            其中,n是諧波級次,T是周期,I是波形的峰值電流強度,d是占空比,而tr是tr或tf的最小值。

            在實際應用中,極有可能會同時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的上升時間tr和下降時間tf,或流經(jīng)Q1和Q2的電流上升率di/dt 時,可以很明顯看到這一點。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。事實正是如此,延長開關(guān)時間的確對頻率高于 f=1/πtr的諧波有很大影響。不過,此時必須在增加散熱和降低損耗間進行折中。盡管如此,對這些參數(shù)加以控制仍是一個好方法,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小阻值電阻(通常小于5Ω)實現(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 “關(guān)斷二極管”來獨立控制過渡時間tr或tf(見圖3)。這其實是一個迭代過程,甚至連經(jīng)驗最豐富的電源設(shè)計人員都使用這種方法。我們的最終目標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,同時保證其溫度足夠低以確保穩(wěn)定性。

          如何平衡電源模塊中低電磁干擾的設(shè)計

          圖3.用關(guān)聯(lián)二極管來控制過渡時間

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

          如何平衡電源模塊中低電磁干擾的設(shè)計

            圖4.降壓穩(wěn)壓器模型1
          如何平衡電源模塊中低電磁干擾的設(shè)計

            圖5.降壓穩(wěn)壓器模型2

            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行電路設(shè)計的場合,不過本文僅討論電源設(shè)計。參考圖4中的交流模型,研究其回路電流流動情況:起點為輸入電容器,然后在Q1導通期間流向Q1,再通過L1進入輸出電容器,最后返回輸入電容器中。

            當Q1關(guān)斷、Q2導通時,就形成了第二個回路。之后存儲在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于降低電磁干擾是很重要的,在PCB走線布線時就要預先考慮清器件的布局問題。當然,回路面積能做到多小也是有實際限制的。

            從公式2可以看出,減小開關(guān)節(jié)點的回路面積會有效降低電磁干擾水平。如果回路面積減小為原來的3倍,電磁干擾會降低9.5dB,如果減小為原來的10倍,則會降低20 dB。設(shè)計時,最好從最小化圖4和圖5所示的兩個回路節(jié)點的回路面積著手,細致考慮器件的布局問題,同時注意銅線連接問題。盡量避免同時使用PCB的兩面,因為通孔會使電感顯著增高,進而帶來其他問題。

            恰當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)計轉(zhuǎn)讓給國外制造商。結(jié)果,我的工作職責也發(fā)生了很大變化,我成了一名顧問,幫助電源設(shè)計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。這里有一個含有集成鎮(zhèn)流器的離線式開關(guān)的設(shè)計例子:設(shè)計人員希望降低最終功率級中的電磁干擾。我只是簡單地將高頻輸出電容器移動到更靠近輸出級的位置,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)計者顯然不太懂得其中的道理,他稱那個電容為“魔法帽子”,而事實上我們只是減小了開關(guān)節(jié)點的回路面積。


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