【導(dǎo)讀】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(guò),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。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(jiàn)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(jiǎn)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(cè)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(kāi),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(kāi)關(guān)波形是由Q1和Q2產(chǎn)生的,也就是每個(gè)場(chǎng)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(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?yàn)閷?dǎo)體電流的過(guò)渡相對(duì)較慢,所以可以應(yīng)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(duì)于一個(gè)類(lèi)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)。
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(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(cè)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(jiǎn)單地通過(guò)減緩Q1或Q2的通斷速度來(lái)降低電磁干擾水平。事實(shí)正是如此,延長(zhǎng)開(kāi)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(guò),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(guò)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(lái)獨(dú)立控制過(guò)渡時(shí)間tr或tf(見(jiàn)圖3)。這其實(shí)是一個(gè)迭代過(guò)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(guò)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(lái)控制過(guò)渡時(shí)間