汽車和工業(yè)應(yīng)用中如何使用轉(zhuǎn)換速率控制EMI

　　許多工業(yè)和汽車應(yīng)用中都使用了同步降壓轉(zhuǎn)換器電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；此類應(yīng)用還要求具有低傳導(dǎo)放射和輻射放射特性，以確保電源不會(huì)干擾共用同一條總線的其它設(shè)備（輸入電壓 ［VIN］）。例如，在汽車信息娛樂系統(tǒng)中，電子干擾（EMI） 會(huì)在汽車立體音響中發(fā)出撓人的噪音。

　　圖1顯示了同步降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖以及其開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形。高側(cè)MOSFET的開關(guān)速度和高側(cè)/低側(cè)MOSFET與印刷電路板（PCB）雜散電感和電容都具有在開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形達(dá)到峰值時(shí)振鈴的功能。而我們不需要開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形振鈴，因?yàn)樗鼤?huì)增大低側(cè)MOSFET的電壓應(yīng)力，并產(chǎn)生電磁干擾。

　　圖1：同步降壓轉(zhuǎn)換器

　　為了確定圖1中降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴與其所產(chǎn)生電磁干擾之間的關(guān)系，我按照國(guó)家無線電干擾特別委員會(huì)（CISPR） 25 Class 5的規(guī)定進(jìn)行了傳導(dǎo)放射測(cè)試。圖2顯示了測(cè)試的結(jié)果。測(cè)得的數(shù)據(jù)顯示：在30MHz-108MHz的頻率范圍內(nèi)，降壓轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)放射值比Class 5限制高出了15dBµV。

　　圖2：CISPR 25 Class 5， 30MHz-108MHz，降壓轉(zhuǎn)換器 VIN = 12V， VOUT = 3.3V， IOUT= 5A

　　要降低電磁輻射，首先要降低開關(guān)節(jié)點(diǎn)的振鈴噪聲。有以下幾種方法：首先減緩MOSFET的接通和關(guān)閉時(shí)間，從而控制開關(guān)節(jié)點(diǎn)的上升和下降時(shí)間。在串聯(lián)電阻器（RHO與RLO）上加裝MOSFET的柵極引線即可實(shí)現(xiàn)該功能；參見圖3。第二步是在開關(guān)節(jié)點(diǎn)與接地之間加裝一個(gè)緩沖器（RSUB與CSUB）。緩沖器電路可以在轉(zhuǎn)換過渡期間抑制寄生電感和電容。

　　圖3：接通和關(guān)閉電路

　　除利用上述方法來降低開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴噪音外，還有另一種方法，就是使用LM5140-Q1符合汽車應(yīng)用要求的同步降壓控制器。LM5140-Q1的一大重要特性是轉(zhuǎn)換速率控制。通過引出驅(qū)動(dòng)器的源側(cè)和接收側(cè)引線，可以獨(dú)立控制高/低側(cè)MOSFET的接通和關(guān)閉時(shí)間。

　　在低側(cè)MOSFET關(guān)閉和高側(cè)頂部MOSFET接通期間，開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓從接地升至VIN。如果高側(cè)頂部MOSFET接通過快，則在過渡時(shí)開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)過沖。增大RHO電阻可以降低高側(cè)MOSFET的驅(qū)動(dòng)電流，減緩該MOSFET的接通時(shí)間，同時(shí)有助于降低開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴噪音。注意：減慢高側(cè)MOSFET的關(guān)閉時(shí)間會(huì)增大開關(guān)損耗。在低電磁輻射和高側(cè)MOSFET的開關(guān)損耗之間選用RHO時(shí)，需要做一個(gè)權(quán)衡折衷。

　　低側(cè)MOSFET損耗包括RDS（ON）損耗、空載時(shí)間損耗和MOSFET內(nèi)部體二極管的損耗。空載（高/低側(cè)MOSFET均處于關(guān)閉狀態(tài)）時(shí)，低側(cè)MOSFET的內(nèi)部體二極管可傳導(dǎo)感應(yīng)器電流。一般情況下，MOSFET的內(nèi)部體二極管都有較高的正向電壓降，因此其效率會(huì)大幅降低。而縮短低側(cè)MOSFET內(nèi)部體二極管傳導(dǎo)電流的時(shí)間可以提高效率。

　　利用轉(zhuǎn)換速率控制可以在LM5140-Q1驅(qū)動(dòng)器輸出（LO引腳）和低側(cè)MOSFET柵極之間插入一個(gè)電阻器（ROL），用來延長(zhǎng)低側(cè)MOSFET關(guān)閉所需的時(shí)間。減慢關(guān)閉時(shí)間可以減少低側(cè)和高側(cè)MOSFET傳導(dǎo)的空載時(shí)間，提高降壓轉(zhuǎn)換器的效率。縮短同步降壓的空載時(shí)間時(shí)，切勿同時(shí)傳導(dǎo)高側(cè)和低側(cè)MOSFET。

　　圖4：降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形和轉(zhuǎn)換速率控制

　　我使用LM5140-Q1控制器（參見圖4）改裝了圖1所示的電源。使用轉(zhuǎn)換速率控制優(yōu)化開關(guān)節(jié)點(diǎn)的上升和下降時(shí)間，消除了開關(guān)節(jié)點(diǎn)的振鈴噪音。

　　下一步是進(jìn)行CISPR 25 Class 5傳導(dǎo)放射。我選用了以下轉(zhuǎn)換速率控制電阻器值：RHO = 10?， RHOL = 0?， RLO = 10? 和 RLOL= 10?。選擇用于此應(yīng)用的電阻器對(duì)于輸入功率低于50W的任何應(yīng)用來說都是一個(gè)很好的起點(diǎn)。

　　圖5顯示了傳導(dǎo)放射測(cè)試的結(jié)果和總結(jié)。

　　圖5：轉(zhuǎn)換速率控制比較：CISPR 25 Class 5， VIN = 12V， VOUT = 3.3V， IOUT = 5A，無轉(zhuǎn)換速率控制（a）和有轉(zhuǎn)換速率控制（b）

　　降壓轉(zhuǎn)換器借助LM5140-Q1和轉(zhuǎn)換速率控制將傳導(dǎo)放射降低了21dBµV。此外還增強(qiáng)了對(duì)開關(guān)節(jié)點(diǎn)上升和下降的控制，同時(shí)無需使用緩沖電路，降低了電路的復(fù)雜性和成本。

　　挑選出轉(zhuǎn)換速率控制電阻器的正確值，不僅可以降低電磁輻射，還能同時(shí)提高系統(tǒng)的效率。