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电源模块的电磁干扰设计

发布者:topday   发布时间: 2011-02-15 11:26 浏览次数: :

       电源设计中即使是普通的直流到直流开关转换器的设计都会出现一系列问题,尤其在高功率电源设计中更是如此。除功能性考虑以外,工程师必须保证设计的鲁棒性,以符合成本目标要求以及热性能和空间限制,当然同时还要保证设计的进度。另外,出于产品规范和系统性能的考虑,电源产生的电磁干扰(EH卫必须足够低。不过,电源的电磁干扰水平却是设计中最难精确预计的项目。有些人甚至认为这简直是不可能的,设计人员能做的最多就是在设计中进行充分考虑,尤其在布局时。
       尽管本文所讨论的原理适用于广泛的电源设计,但我们在此只关注直流到直流的转换器,因为它的应用相当广泛,几乎每一位硬件工程师都会    接触到与它相关的工作,说不定什么时候就必须设计一个电源转换器。本文中我们将考虑与低电磁干扰设计相关的两种常见的折中方案;热性能、电磁干扰以及与Pr_臼布局和电磁干扰相关的方案尺寸等。文中我们将使用一个简单的降压转换器做例子,如图-所示。

普通的降压转换器


       在频城内测量辐射和传导电磁干扰,这就是对已知波形做傅里叶级数展开,本文中我们着重考虑辐射电磁干扰性能。在同步降压转换器中,引起电磁干扰的主要开关波形是由[3 l和[3;产生的,也就是每个场效应管在其各自导通周期内从漏极到源极的电流D/D图2;RN 示的电流波形(Q1ON和Q2ON不是很规则的梯形,但是我们的操作自由度也就更大,因为导体电流的过渡相对较慢,所以可以应用H8NRYOTT经典著作“电子系统中的噪声降低技术》中的公式l。我们发现,对于一个类似的波形,其上升和下降时间会直接影响谐波振幅或傅里叶系数。在实际应用中,极有可能会同时遇到奇次和偶次谐波发射。如果只产生奇次谐波,那么波形的占空比必须精确为50%。其中,N是谐波级次,T是周期,I是波形的峰值电流强度,D是占空比,而TO是或TD的最小值.

 

Q1与QB的波形

        而实际情况中极少有这样的占空比精度。谐波系列的电磁干扰幅度受QQ2通断影响。在测量漏源电压v05的上升时间T口下降时间b或流经LYI和Q2韵电流上升率DI/DT时,可以很明显看到这一点。这也表示,我们可以很简单地通过减缀Q1或Q2通断速度来降低电磁干扰水平。事实正是如此,延长开关时间的确对频率高于lF=L/TR谐波有很大影响。不过,此时必须在增加散热和降低损耗间进行折中。尽管如此,对这些参数加以控制仍是一个好方法,它有助于在电磁干扰和热性能间取得平衡。具体可以通过增加一个小阻值电阻(通常小于5Q)实现,该电阻与Q1和Q2栅极串联即可控制T口b你也可以给栅极电阻串联一个“关断二极管”来独立控制过渡时间TR或TC(见图]。这其实是一个迭代过程,甚至连经验最丰富的电源设计人员都使用这种方法。我们的最终目标是通过放慢晶体管的通断速度,使电磁干扰降低至可接受的水平,同时保证其温度足够低以确保稳定性。回到之前的降压稳压器例子上,该例中有两个回路节点(如图4与图5所示),它们的尺寸会直接影响到电磁干扰水平。
       OT供于不同模式电磁干扰水平的公式(2)示意了回路面积对电路电磁干扰水平产生的直接线性影响。
  

用关联二极管来控制过渡时间


      辐射场正比于下列参数:涉及的谐波频率(F;单位H a、回路面积(A,单位H2)、电流(卫和测量距离(F{单位IHI)。
       此概念可以推广到所有利用梯形波形进行电路设计的场合,不过本文仅讨论电源设计。参考图4的交流模型,研究其回路电流流动情况:起点为输入电容器,然后在QL导通期间流向Q1再通过LL进入输出电容器,最后返回输入电容器中。
       当Q1关断、[3;导通时,就形成了第二个回路。之后存储在LL内的能量流经输出电容器和Q2如图所示。这些回路面积控制对于降低电磁干扰是很重要的,在PCB走线布线时就要预先考虑清器件的布局问题。当然,回路面积能做到多小也是有实际限制的。
       从公式2可以看出,减小开关节点的回路面积会有效降低电磁干扰水平。如果回路面积减小为原来3掊,电磁干扰会降低9.9DB,如果减小为原来的10倍,则会降低20DB。设计问题。这里有一个含有集成镇流器的离线式开关的设计例子:设计人员希望降低最终功率级中的电磁干扰。我只是简单地将高频输出电容器移动到更靠近输出级的位置,其回路面积就大约只剩原来的一半,而电磁干扰就降低了约BDB。而这位设计者显然不太懂得其中的道理,他称那个电容为“魔法帽子”,而事实上我们只是减小了开关节点的回路面积。

图4降压稳压器模型与图五降压稳压器模型


       还有一点至重要的,新改进的电路产生的问题可能比原先的还要严重。换句话说,尽管延长过渡时间可
以减少电磁干扰,但其引起的热效应也随之成为重要的问题。有一种控制电磁干扰的方法是用全集成电源模块代替传统的直流到直流转换器。电源模块是含有全集成功率晶体管和电感的开关稳压器,它和线性稳压器一样可以很轻松地融入系统设计中。模块开关节点的回路面积远小于相似尺寸的稳压器或控制器,电源模块并不是新生事物,它的面世已经有一段时间了,但是直到现在,由于一系列问题,模块仍无法有效散热,且一经安装后就无法更改。
 

本文链接:http://www.leddianyuan.com/jishuzixun/2011/0215/618.html

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