簡(jiǎn)介

快速開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用廣泛，能為多個(gè)市場(chǎng)中的各類產(chǎn)品提供高效轉(zhuǎn)換。然而，快速開關(guān)時(shí)間可能會(huì)因?yàn)殡姶鸥蓴_ (EMI) 而產(chǎn)生問題。

由于快速開關(guān)，電壓和電流波形的上升沿和下降沿變化更快。急劇的變化會(huì)在高頻下產(chǎn)生大量能量，成為開關(guān)模式電源供應(yīng)中 EMI 的主要來源。這種高頻能量會(huì)在電源供應(yīng)的諧振腔內(nèi)產(chǎn)生振鈴。

EMI 行為需符合監(jiān)管要求，這取決于產(chǎn)品應(yīng)用類型，而且汽車、消費(fèi)和工業(yè)市場(chǎng)的要求也各不相同。為了符合監(jiān)管要求，通常需要 EMI 濾波，這會(huì)在整體系統(tǒng)中占用大量空間、體積和成本，因此必須了解適用于不同產(chǎn)品應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

本文首先講解開關(guān)轉(zhuǎn)換器中 EMI 的來源和類型，然后介紹工業(yè)市場(chǎng)和汽車市場(chǎng)產(chǎn)品監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)差異，最后討論 Diodes 公司使用的技術(shù)，使其 DC-DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器符合嚴(yán)格的汽車標(biāo)準(zhǔn)。

開關(guān)轉(zhuǎn)換器中的 EMI

EMI 發(fā)射有兩種類型：傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)發(fā)射通過連接到電源轉(zhuǎn)換器的電線和走線進(jìn)行。由于噪聲集中在電路中的特定端子或接頭，因此在設(shè)計(jì)初期采用良好的電路板配置和濾波器設(shè)計(jì)，能確保符合傳導(dǎo)發(fā)射要求。

輻射發(fā)射問題則更加棘手。PCB 上所有負(fù)載電流的器件都會(huì)輻射電磁場(chǎng)，電路板上的每條走線都是天線，每塊鋪銅平面都是諧振器。因此，只有純正弦波或直流電壓才不會(huì)在整個(gè)信號(hào)頻譜上產(chǎn)生噪聲。

電源供應(yīng)設(shè)計(jì)人員只有在測(cè)試系統(tǒng)后，才能了解輻射發(fā)射的危害程度，并且只有在設(shè)計(jì)完成后，才能進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試。

為了減輕 EMI，可使用濾波器衰減特定頻率下的信號(hào)強(qiáng)度。加裝金屬和電磁屏蔽罩有助于衰減部分輻射發(fā)射，而鐵氧體磁珠和其他類型的濾波器則有助于減少 PCB 走線的傳導(dǎo)發(fā)射。EMI 雖然無法完全消除，但可以衰減至不干擾其他通信或數(shù)字元器件的程度。

傳導(dǎo)發(fā)射 EMI 標(biāo)準(zhǔn)

多個(gè)管理機(jī)構(gòu)監(jiān)管由設(shè)備產(chǎn)生的傳導(dǎo)和輻射發(fā)射可接受程度，從而維持電磁兼容性 (EMC)。

針對(duì)消費(fèi)市場(chǎng)，在歐盟境內(nèi)用于通信和 IT 終端設(shè)備的供電產(chǎn)品應(yīng)符合歐洲發(fā)射標(biāo)準(zhǔn) CISPR 32/EN 55032。該標(biāo)準(zhǔn)適用于多媒體設(shè)備，并已生效成為協(xié)調(diào) EMC 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 射頻 (RF) 的 EMI，國際產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為 CISPR 11，其中還有專門針對(duì)部分工業(yè)終端設(shè)備的系統(tǒng)級(jí)EMC 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。例如，IEC 61131-2 定義的發(fā)射要求，適用于工廠自動(dòng)化和流程控制應(yīng)用中廣泛使用的可編程邏輯控制器 (PLC)。

對(duì)于汽車電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員而言，CISPR 25 詳細(xì)說明了相關(guān)傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試。此國際標(biāo)準(zhǔn)適用于汽車元器件和模塊，并根據(jù)接地配置，使用一個(gè)或兩個(gè)5μH/50Ω人工網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)量。

該標(biāo)準(zhǔn)“保護(hù)車載接收器”不受特定頻段下 150kHz 至 108MHz 頻率范圍內(nèi)測(cè)量的傳導(dǎo)噪聲影響。這些頻率范圍分布在 AM 廣播、FM 廣播和移動(dòng)服務(wù)頻段中，如圖 1 所示。

圖 1：CISPR 25 第 4 類與第 5 類傳導(dǎo)發(fā)射限制

CISPR 25 規(guī)定了峰值 (PK)、準(zhǔn)峰值 (QP) 和平均值 (AVG) 信號(hào)檢測(cè)器的傳導(dǎo)發(fā)射限制。表 1 列出了第 1 類至第 5 類的限制。CISPR 25 中最嚴(yán)格的要求為第 5 類。這些限制相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，特別是 VHF 和 FM 頻段 (68MHz 至 108MHz) 中的 18dBμV 平均值 (或 38dBμV 峰值) 限制，因?yàn)闉V波元器件中的寄生效應(yīng)會(huì)降低此頻段下的 EMI 濾波衰減效果。

表 1：各類傳導(dǎo) EMI 限制

車用輻射發(fā)射 EMI 標(biāo)準(zhǔn)

CISPR 25 包括車輛無線電接收標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)各種無線電服務(wù)頻段定義了限制。該標(biāo)準(zhǔn)適用于元器件或模塊發(fā)射測(cè)量，以及使用車內(nèi)天線進(jìn)行的整車發(fā)射測(cè)試。

圖 2 顯示汽車產(chǎn)品應(yīng)用元器件/模塊使用峰值 (PK) 和 AVG 檢測(cè)器的第 5 類輻射發(fā)射限制。最低測(cè)量頻率針對(duì) 150kHz 至 300kHz 的歐洲長(zhǎng)波 (LW) 廣播頻段，最高頻率為 2.5GHz (藍(lán)牙和 Wi-Fi 傳輸)。使用標(biāo)稱輸出阻抗為50Ω的線性極化電場(chǎng)天線進(jìn)行測(cè)量。

CISPR 25 的輻射發(fā)射測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)比 FCC 或 CISPR 22 (適用于消費(fèi)產(chǎn)品) 更加嚴(yán)格，接收器與待測(cè)設(shè)備 (DUT) 距離為 1 米，而 CISPR 22 則為 10 米。

圖 2：使用內(nèi)襯吸波材料屏蔽外殼 (ALSE) 測(cè)試的 CISPR 25 第 5 類輻射限制

適用汽車產(chǎn)品應(yīng)用的 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器

讓我們來看一個(gè)高速電源轉(zhuǎn)換器的實(shí)際例子，了解該轉(zhuǎn)換器如何符合汽車領(lǐng)域的 EMC 標(biāo)準(zhǔn)。AP66x00Q/AP64x03Q 3A DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)用于和符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的理想二極管 MOSFET 控制器 AP74700Q 搭配使用。

AP74700Q 支持 3.2V 到 65V 的寬廣輸入工作范圍，能夠控制許多常見的直流電壓軌，例如 12V、24V 或更高的汽車電池系統(tǒng)。外接 N 通道功率 MOSFET (例如AP66x00Q/AP64x03Q)時(shí)，可在單向電源路徑上和反向電壓情況下提供低損耗 20mV 正向電壓降整流器。

Diodes 公司的 DDB103R3 示范電路板為上述元器件提供簡(jiǎn)單易用的評(píng)估系統(tǒng)。板上包括 AP74700Q、AP66x00Q/AP64x03Q，以及一個(gè) EMI 輸入濾波器 (詳見圖 3)。電路板展示了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)解決方案，具有反向電壓保護(hù)、ISO 7637-2 瞬態(tài)脈沖保護(hù) (使用適當(dāng)?shù)?TVS)、符合 CISPR 25 第 5 類標(biāo)準(zhǔn)的 EMI 濾波，以及 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器。

圖 3：DDB103R3 示范電路板

示范電路板的輸入濾波器包含一個(gè)共模扼流圈，兩側(cè)接有電容器，形成 Pi 配置，并串聯(lián)一個(gè)包含電感器和電容器的 LC 低通濾波器。這一組合使電路板符合 CISPR 25 第 5 類標(biāo)準(zhǔn)。

AP66x00Q/AP64x03Q 集成功率 MOSFET 開關(guān) (AP66300Q 的高側(cè)為 120mΩ、低側(cè)為 55mΩ，AP66200Q 的高側(cè)為 185mΩ、低側(cè)為 80mΩ)，提供高效降壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換。

此外，器件的輸出級(jí)經(jīng)過優(yōu)化，可減少 EMI。例如專門的柵極驅(qū)動(dòng)器方案，可在不犧牲 MOSFET 導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間的情況下，抑制開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴，從而減少 MOSFET 開關(guān)引起的高頻輻射 EMI 噪聲。

已使用 DDB103R3 電路板對(duì) AP66x00Q/AP64x03Q 進(jìn)行 EMI 測(cè)試，確保符合傳導(dǎo)和輻射發(fā)射的 CISPR 25 第 5 類限制。圖 4 顯示 AP66x00Q/AP64x03Q 在 500kHz 下開關(guān)的測(cè)試板電路圖。

圖 4：DDB103R3 示范電路板電路圖

測(cè)試期間，較高的負(fù)載會(huì)導(dǎo)致更多的 EMI，但這符合預(yù)期。即便使用階段濾波器，待測(cè)設(shè)備 (DUT) 有時(shí)仍需通過屏蔽才能消除所有產(chǎn)生的噪聲，才能符合 EMI 限制。建議將屏蔽層連接至 0V，從而實(shí)現(xiàn)最佳 EMI 性能。

結(jié)論

如今快速開關(guān)轉(zhuǎn)換器會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)和輻射 EMI 的問題，因此必須小心謹(jǐn)慎，確保電源系統(tǒng)符合相關(guān)的 EMC 標(biāo)準(zhǔn)。

CISPR 25 第 5 類是最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了汽車應(yīng)用產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。即便是精心設(shè)計(jì)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，如果未采用多級(jí)濾波和屏蔽技術(shù)，也無法滿足此標(biāo)準(zhǔn)。