TI工程師:如何設(shè)計(jì)EMI兼容的汽車(chē)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器
不需要完全了解復(fù)雜的EMI,即可輕松設(shè)計(jì)EMI兼容的汽車(chē)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。本文以沒(méi)有復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算的直覺(jué)方式,分享成功實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的基本因素,主要包括:斜率控制、濾波器設(shè)計(jì)、元件選用、配置、噪聲擴(kuò)散及屏蔽。
汽車(chē)本身不斷變化,驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的電子裝置也是如此。其中最顯著的莫過(guò)于插電式電動(dòng)汽車(chē)(PEV),它們采用300V至400V的鋰離子電池和三相推進(jìn)馬達(dá)取代取代燃?xì)夤藓蛢?nèi)燃機(jī)。精密的電池組電量監(jiān)控、再生制動(dòng)系統(tǒng)及復(fù)雜的傳輸控制可將電池使用時(shí)間優(yōu)化,使得電池需要充電的頻率減少。此外,現(xiàn)今的電動(dòng)汽車(chē)或其它種類的汽車(chē)都具有許多可提升性能、安全、便利性及舒適感的電子模塊。許多中檔車(chē)均配備先進(jìn)的全球定位系統(tǒng)(GPS)、集成DVD播放器及高性能音響系統(tǒng)。
伴隨這些先進(jìn)設(shè)備而來(lái)的,是對(duì)更高處理速度的需求。因此,現(xiàn)今的汽車(chē)整合了高性能微處理器及DSP,使得核心電壓下降至1V,并且使電流上升5A。使介于6V至40V之間的汽車(chē)電池產(chǎn)生如此的電壓及電流需要面臨許多難題,其中一項(xiàng)是達(dá)到電磁兼容性測(cè)試(EMC)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。線性穩(wěn)壓器曾經(jīng)是將汽車(chē)電池電壓轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)的電源電壓所使用的主要方法,但現(xiàn)在已經(jīng)不合時(shí)宜。更準(zhǔn)確地說(shuō),線性穩(wěn)壓器使得輸出電壓降低而導(dǎo)致負(fù)載電流增加。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器則愈來(lái)愈受到廣泛使用,隨之而來(lái)的是對(duì)于電磁波干擾(EMI)無(wú)線射頻的憂慮,以及對(duì)于安全性系統(tǒng)的重視。
本文將以沒(méi)有復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算的直覺(jué)方式,探討成功實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的基本因素,主要包括:斜率(slew rate)控制、濾波器設(shè)計(jì)、元件選用、配置、噪聲擴(kuò)散及屏蔽。
用簡(jiǎn)單方法實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源EMC
本文的目的在于不需要完全了解復(fù)雜的EMI,即可嘗試設(shè)計(jì)EMI兼容的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。事實(shí)上,與EMI有關(guān)的所有問(wèn)題都來(lái)源于未完全達(dá)到開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)電壓與電流變化的速率,以及與電路板信號(hào)線上或元件內(nèi)寄生電路元件的互動(dòng)方式。以通過(guò)額定14V且以5A產(chǎn)生5V電壓的汽車(chē)電池產(chǎn)生動(dòng)力的200kHz降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器為例,若要達(dá)到可觀的效率,開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓斜率應(yīng)該只占導(dǎo)通時(shí)間的一小段,例如1/12以下。連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)下運(yùn)作的降壓轉(zhuǎn)換器導(dǎo)通時(shí)間為D/fsw,其中D是負(fù)載周期或脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)開(kāi)啟時(shí)間百分比與整段時(shí)間的比值(ton及toff),而fsw是轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率。
對(duì)于CCM中運(yùn)作的降壓轉(zhuǎn)換器,電感電流一直是非零的正電流。在這種情況下,負(fù)載周期為D=Vout/Vin,在本例中為38%(5V/14V)。使用200kHz的開(kāi)關(guān)頻率時(shí),我們很快計(jì)算出導(dǎo)通時(shí)間為1.8μs。為支持此頻率,控制開(kāi)關(guān)的上升/下降時(shí)間必須小于90納秒。這使得我們注意到第一個(gè)減少噪聲的方法,也就是斜率控制。您可能還無(wú)法理解,但是此時(shí)我們非常了解與PWM切換節(jié)點(diǎn)有關(guān)的諧波,也就是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的控制波形。如果將此波形以圖1(a)中所示的梯形表示,波形的諧波便能夠以圖1(b)中的內(nèi)容表示,這表明了EMI背后的驅(qū)動(dòng)因素。這一傅里葉包絡(luò)定義了可通過(guò)傅里葉分析或計(jì)算梯形波形導(dǎo)通時(shí)間及上升時(shí)間取得的諧波振幅。
觀察頻域時(shí),可看出相等上升和下降時(shí)間的梯形波形是由不同的諧波信號(hào)所組成,這些信號(hào)存在于周期信號(hào)基本頻率的整數(shù)倍數(shù)。值得注意的是,各諧波的能量會(huì)在1/(π×τ)的第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)(導(dǎo)通時(shí)間)減至20dB/dec,并且在1/(π×tr)的第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)減至40dB/dec。因此,限制開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形的斜率會(huì)對(duì)減少發(fā)射量具有重大影響。通過(guò)這項(xiàng)探討,應(yīng)該能夠清楚顯示降低運(yùn)作頻率也有利于減少發(fā)射量。
AM射頻頻段考量
汽車(chē)EMI規(guī)范的其中一個(gè)難點(diǎn)與AM頻段有關(guān)。該頻段從500kHz開(kāi)始,一直持續(xù)到2MHz,對(duì)于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器而言非常適合。由于梯形波形的最高能量元件是基本元件(假設(shè)沒(méi)有任何電路板諧振),因此可在AM頻段上下運(yùn)作。
負(fù)載周期重要嗎?
另一項(xiàng)重要因素是,如果負(fù)載周期剛好是50%,復(fù)雜梯形切換波形的所有能量會(huì)以奇次諧波(1、3、5、7……)呈現(xiàn)。因此,以50%負(fù)載周期運(yùn)作是最壞的情況。在50%上下的負(fù)載周期,即使出現(xiàn)諧波,也會(huì)發(fā)生自然的EMI擴(kuò)散。
EMC相關(guān)文章:EMC是什么意思
LM317相關(guān)文章:LM317中文資料
評(píng)論