在開關轉換器中，由于快速開關，電壓和電流波形的上升沿和下降沿變化更快。急劇的變化會在高頻下產(chǎn)生大量能量，成為開關模式電源供應中EMI（電磁干擾）的主要來源。這種高頻能量會在電源供應的諧振腔內產(chǎn)生振鈴。

Diodes公司提供多樣化的車用DC-DC降壓轉換器與控制器，全都經(jīng)過優(yōu)化，可減少EMI。

舉例來說，Diodes公司的AP66x00Q/AP64x03Q3A DC-DC降壓轉換器，設計用于和符合汽車標準的理想二極管MOSFET控制器AP74700Q搭配使用，確保符合EMC（電磁兼容性）規(guī)范。

上述兩款器件可組成DDB103R3示范電路板，詳細信息請參閱使用手冊。

簡介

快速開關電源轉換器應用廣泛，能為多個市場中的各類產(chǎn)品提供高效轉換。然而，快速開關時間可能會因為電磁干擾 (EMI) 而產(chǎn)生問題。

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

EMI 行為需符合監(jiān)管要求，這取決于產(chǎn)品應用類型，而且汽車、消費和工業(yè)市場的要求也各不相同。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)品應用的標準。

本文首先講解開關轉換器中 EMI 的來源和類型，然后介紹工業(yè)市場和汽車市場產(chǎn)品監(jiān)管標準差異，最后討論 Diodes 公司使用的技術，使其 DC-DC 開關轉換器符合嚴格的汽車標準。

開關轉換器中的 EMI

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

輻射發(fā)射問題則更加棘手。PCB 上所有負載電流的器件都會輻射電磁場，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在整個信號頻譜上產(chǎn)生噪聲。

電源供應設計人員只有在測試系統(tǒng)后，才能了解輻射發(fā)射的危害程度，并且只有在設計完成后，才能進行輻射發(fā)射測試。

為了減輕 EMI，可使用濾波器衰減特定頻率下的信號強度。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。

傳導發(fā)射 EMI 標準

多個管理機構監(jiān)管由設備產(chǎn)生的傳導和輻射發(fā)射可接受程度，從而維持電磁兼容性 (EMC)。

針對消費市場，在歐盟境內用于通信和 IT 終端設備的供電產(chǎn)品應符合歐洲發(fā)射標準 CISPR 32/EN 55032。該標準適用于多媒體設備，并已生效成為協(xié)調 EMC 規(guī)范標準。

針對工業(yè)、科學和醫(yī)療 (ISM) 射頻 (RF) 的 EMI，國際產(chǎn)品標準為 CISPR 11，其中還有專門針對部分工業(yè)終端設備的系統(tǒng)級EMC 測試標準。例如，IEC 61131-2 定義的發(fā)射要求，適用于工廠自動化和流程控制應用中廣泛使用的可編程邏輯控制器 (PLC)。

對于汽車電子產(chǎn)品設計人員而言，CISPR 25 詳細說明了相關傳導發(fā)射測試。此國際標準適用于汽車元器件和模塊，并根據(jù)接地配置，使用一個或兩個5μH/50Ω人工網(wǎng)絡進行測量。

該標準“保護車載接收器”不受特定頻段下 150kHz 至 108MHz 頻率范圍內測量的傳導噪聲影響。這些頻率范圍分布在 AM 廣播、FM 廣播和移動服務頻段中，如圖 1 所示。

圖 1：CISPR 25 第 4 類與第 5 類傳導發(fā)射限制

CISPR 25 規(guī)定了峰值 (PK)、準峰值 (QP) 和平均值 (AVG) 信號檢測器的傳導發(fā)射限制。表 1 列出了第 1 類至第 5 類的限制。CISPR 25 中最嚴格的要求為第 5 類。這些限制相當具有挑戰(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，因為濾波元器件中的寄生效應會降低此頻段下的 EMI 濾波衰減效果。

表 1：各類傳導 EMI 限制

車用輻射發(fā)射 EMI 標準

CISPR 25 包括車輛無線電接收標準，因此對各種無線電服務頻段定義了限制。該標準適用于元器件或模塊發(fā)射測量，以及使用車內天線進行的整車發(fā)射測試。

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

CISPR 25 的輻射發(fā)射測試標準比 FCC 或 CISPR 22 (適用于消費產(chǎn)品) 更加嚴格，接收器與待測設備 (DUT) 距離為 1 米，而 CISPR 22 則為 10 米。

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

適用汽車產(chǎn)品應用的 DC-DC 降壓轉換器

讓我們來看一個高速電源轉換器的實際例子，了解該轉換器如何符合汽車領域的 EMC 標準。AP66x00Q/AP64x03Q 3A DC-DC 降壓轉換器，設計用于和符合汽車標準的理想二極管 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，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單易用的評估系統(tǒng)。板上包括 AP74700Q、AP66x00Q/AP64x03Q，以及一個 EMI 輸入濾波器 (詳見圖 3)。電路板展示了一個系統(tǒng)級解決方案，具有反向電壓保護、ISO 7637-2 瞬態(tài)脈沖保護 (使用適當?shù)?TVS)、符合 CISPR 25 第 5 類標準的 EMI 濾波，以及 DC-DC 降壓轉換器。

圖 3：DDB103R3 示范電路板

示范電路板的輸入濾波器包含一個共模扼流圈，兩側接有電容器，形成 Pi 配置，并串聯(lián)一個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 類標準。

AP66x00Q/AP64x03Q 集成功率 MOSFET 開關 (AP66300Q 的高側為 120mΩ、低側為 55mΩ，AP66200Q 的高側為 185mΩ、低側為 80mΩ)，提供高效降壓 DC-DC 轉換。

此外，器件的輸出級經(jīng)過優(yōu)化，可減少 EMI。例如專門的柵極驅動器方案，可在不犧牲 MOSFET 導通和關斷時間的情況下，抑制開關節(jié)點振鈴，從而減少 MOSFET 開關引起的高頻輻射 EMI 噪聲。

已使用 DDB103R3 電路板對 AP66x00Q/AP64x03Q 進行 EMI 測試，確保符合傳導和輻射發(fā)射的 CISPR 25 第 5 類限制。圖 4 顯示 AP66x00Q/AP64x03Q 在 500kHz 下開關的測試板電路圖。

圖 4：DDB103R3 示范電路板電路圖

測試期間，較高的負載會導致更多的 EMI，但這符合預期。即便使用階段濾波器，待測設備 (DUT) 有時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，從而實現(xiàn)最佳 EMI 性能。

結論

如今快速開關轉換器會導致傳導和輻射EMI的問題，因此必須小心謹慎，確保電源系統(tǒng)符合相關的 EMC 標準。

CISPR 25 第 5 類是最嚴格的標準，規(guī)定了汽車應用產(chǎn)品的標準。即便是精心設計的開關轉換器，如果未采用多級濾波和屏蔽技術，也無法滿足此標準。

來源：Diodes Incorporated

作者：Diodes 公司 DC-DC 事業(yè)部 DC-DC 產(chǎn)品線經(jīng)理 Tu Bui