5A、3.3V和5V电源符合严格的EMI辐射标准

5A、3.3V和5V电源符合严格的EMI辐射标准
2020年08月05日 17:51 电子产品世界

原标题:5A、3.3V和5V电源符合严格的EMI辐射标准

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202008/416747.htm

简介

严苛的汽车和工业环境中的噪声敏感型应用需要适用于狭小空间的低噪声、高效率降压稳压器。通常会选择内置MOSFET功率开关的单片式降压稳压器,与传统控制器IC和外部MOSFET相比,这种整体解决方案的尺寸相对较小。可在高频率(远高于AM频段的2 MHz范围内)下工作的单片式稳压器也有助于减小外部元件的尺寸。此外,如果稳压器的最小导通时间(TON)较低,则无需中间稳压,可直接在较高的电压轨上工作,从而节约空间并降低复杂性。减少最小导通时间需要快速开关边沿和最小死区时间控制,以有效减少开关损耗并支持高开关频率操作。

另一种节约空间的方式是减少所需的组件数,以满足电磁干扰(EMI)标准和散热要求。遗憾的是,在很多情况下,简单地缩减转换器尺寸难以满足这些需求。本文介绍的先进解决方案可节约空间,同时可实现低EMI和出色的散热性能。

选择开关模式电源转换器是由于其效率高,尤其是在高降压比下,但需要权衡开关操作产生的EMI因素。在降压转换器中,开关中的快速电流变化(高di/dt)和热回路中寄生电感导致的开关振铃会产生EMI。

EMI只是系统设计工程师在尝试设计紧凑型高性能电源时必须考虑的参数之一。许多关键设计约束通常相互冲突,需要在设计限制和上市时间方面做出重大妥协。

图1.慢开关边沿意味着除了占空比损耗之外,还存在大量开关损耗。

提高EMI性能

要减少降压转换器中的EMI,必须尽量减少热回路的辐射效应,并使源极信号最小。有多种方式可减少辐射EMI,但其中很多也会同时降低稳压器的性能。

例如,在典型的分立式FET降压稳压器中,通过外部栅极电阻、升压电阻或缓冲器来降低开关边沿的速度,以减少EMI,这也是符合汽车工业严格的辐射排放标准的最后一种解救方法。这样快速解决EMI问题均以损失性能为代价;例如效率降低、组件数目增多,解决方案尺寸加大。开关边沿速度慢则会增加开关损耗和占空比损失。转换器必须在较低的频率下工作(例如,400 kHz)才能获得令人满意的效率,并通过强制性电磁辐射EMI测试。图1显示了分别具有快开关边沿和慢开关边沿的典型开关节点电压波形。如图所示,开关边沿速度明显变慢,导致开关损耗增加,最小占空比或降压比显著增加,更不用说对性能产生的其他负面影响。

降低开关频率也会增加转换器电感、输出电容和输入电容的物理尺寸。同时,需要使用一个大尺寸π滤波器以通过传导辐射测试。随着开关频率降低,滤波器中的电感L和电容C需相应增大。在低压线路满载条件下,电感电流额定值应大于最大输入电流。因此,前端需要使用一个大尺寸电感和多个电容以符合严格的EMI标准。

例如,在400 kHz(而不是2 MHz)开关频率下,除了增加电感和电容的尺寸外,EMI滤波器中的电感和电容也必须相对较大,才能达到汽车应用中的传导EMI标准要求。其中一个原因是它们不仅必须衰减400 kHz的开关基频,还必须衰减高达1.8 MHz的所有谐波。工作频率为2 MHz的稳压器就没有这个问题。图2为2 MHz解决方案和400 kHz解决方案的尺寸对比。

屏蔽可能是减少电磁辐射的最后一种补救方式,但屏蔽需要占用空间,而应用可能无法提供,并且需要进行额外的机械设计和测试迭代。

为避开AM频率带宽并保持较小的解决方案尺寸,汽车应用首选2 MHz或更高的开关频率。避免AM频段后,就只有确保将高频噪声(也称为谐波)和开关振铃降至最低的问题。遗憾的是,高频开关通常会导致电磁辐射从30 MHz增加到1 GHz。

有些开关稳压器具有快速干净的开关边沿,可减少EMI,如ADI Power by Linear?系列中的Silent Switcher?器件。我们先来看看其他一些有用的功能。

图2.2 MHz解决方案与400 kHz解决方案尺寸对比。

展频(SSFM)是一项在已知范围内使系统时钟抖动的技术,由此将EMI能量分布在频域上。虽然普通开关电源所选的开关频率通常会在AM频段之外(530 kHz至1.8 MHz),但在AM频段内,未经调制的开关谐波仍可能不符合严格的汽车EMI要求。添加SSFM功能可明显减少AM频段内及其他区域中的EMI。

图3显示了一个超低EMI且高效率的12 V至5 V/5 A转换器,其使用LT8636 Silent Switcher单片式降压稳压器在2 MHz开关频率下工作。图4显示了测试演示电路在14 V输入和5 V、5 A输出时的传导和辐射EMI性能。在前端,小电感和陶瓷电容有助于滤除传导噪声,而铁氧体磁珠和陶瓷电容有助于减少辐射噪声。两个小陶瓷电容放在输入和接地引脚上,将热回路面积减至最小,同时分离热回路,帮助消除高频噪声。

为改进EMI性能,电路设置为在展频模式下工作:SYNC/MODE = INTVCC。使用三角频率调制来调节开关频率,调节范围为RT设置的值到比该值约高20%,即LT8636设为2 MHz时,在3 kHz速率下,频率将在2 MHz至2.4 MHz之间变化。

图3.展频模式下的超低EMI LT8636 5 V/5 A降压转换器,峰值电流为7 A,工作电压5.7 V至42 V。

从传导EMI频谱可以明显看出,峰值谐波能量被分散开来,从而降低了任何特定频率的峰值幅度—由于扩频功能,噪声至少减少了20 dBμV/m。从辐射EMI频谱也可以明显看出,展频模式也可以减少辐射EMI。该电路符合严苛的汽车级CISPR 25 Class 5辐射EMI要求,仅需在输入侧使用简单的EMI滤波器。

图4.具有和没有展频模式的CISPR 25电磁辐射EMI。
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