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汽車開關穩壓器的EMC兼容設計

已有 419 次瀏覽2019-6-15 16:20

  汽車自己賡續變換,驅動汽車的電子裝配也是云云。其中最顯著的莫過于插電式電動汽車(PEV),它們接納300V至400V的鋰離子電池和三相推動馬達取代換替燃氣罐和內燃機。周詳的電池組電量監控、再生制動系統及严重年夜的傳輸控制可將電池應用時間優化,使得電池須要充電的頻率增添。此外,當今的電動汽車或其它種類的汽車都具有許多可提升性能、安然、便利性及溫馨感的電子模塊。許多中檔車均裝備先進的全球定位系統(GPS)、集成DVD播放器及高性能音響系統。
  陪同這些先進裝備而來的,是對更高處置賞罰速率的需求。是以,當今的汽車整合了高性能微處置賞罰器及DSP,使得焦點電壓降低至1V,而且使電流上升5A。使介于6V至40V之間的汽車電池發生云云的電壓及電流須要面臨許多難題,其中一項是到達電磁兼容性測試(EMC)的嚴酷尺度。線性穩壓器曾經是將汽車電池電壓轉換為調治的電源電壓所應用的主要措施,但現在曾經不達時宜。更準確地說,線性穩壓器使得輸入電壓降低而招致負載電流增添。開關穩壓器則愈來愈遭到普遍應用,隨之而來的是關于電磁波攪擾(EMI)無線射頻的憂悶,和關于安然性系統的看重。
  本文將以沒有严重年夜數學運算的直覺要領,探討樂成完成開關穩壓器的根自己分,主要包羅:斜率(slew rate)控制、濾波器設計、元件選用、裝備、噪聲疏散及樊籬。
  用簡樸措施完成開關電源EMC
  本文的目的在于不須要完全明確严重年夜的EMI,便可考試考試設計EMI兼容的開關穩壓器。現實上,與EMI有關的所有用果都于未完全到達開關穩壓器內電壓與電流變換的速率,和與電路板旌旗燈號線上或元件內寄生電路元件的互動要領。以經由歷程特殊14V且以5A發生5V電壓的汽車電池產生動力的200kHz降壓型開關穩壓器為例,若要到達可不雅不雅的效力,開樞紐點的電壓斜率應當只占導通時間的一小段,例如1/12以下。一連導電形式(CCM)下運作的降壓轉換器導通時間為D/fsw,其中D是負載周期或脈寬調制(PWM)旌旗燈號開啟時間百分比與整段時間的比值(ton及toff),而fsw是轉換器的開關頻率。
  關于CCM中運作的降壓轉換器,電感電流一直是非零的正電流。在這類情形下,負載周期為D=Vout/Vin,在本例中為38%(5V/14V)。應用200kHz的開關頻率時,我們很快盤算出導通時間為1.8μs。為支持此頻率,控制開關的上升/降低時間必須小于90納秒。這使得我們重视到第一個增添噪聲的措施,也就是斜率控制。您能夠還沒法明確,然則此時我們異常明確與PWM切換節點有關的諧波,也就是開關穩壓器的控制波形。假設將此波形以圖1(a)中所示的梯形體現,波形的諧波便能夠以圖1(b)中的內容體現,這注解了EMI眼前的驅啟航分。這一傅里葉包絡界說了可經由歷程傅里葉剖析或盤算梯形波形導通時間及上升時間取得的諧波振幅。
  不雅不雅察頻域時,可看出相等上升和降低時間的梯形波形是由不合的諧波旌旗燈號所組成,這些旌旗燈號存在于周期旌旗燈號基礎頻率的整數倍數。值得重视的是,各諧波的能量會在1/(π×τ)的第一個轉機點(導通時間)減至20dB/dec,而且在1/(π×tr)的第二個轉機點減至40dB/dec。是以,限制開樞紐點波形的斜率會對增添發射量具有嚴严重年夜影響。經由歷程這項探討,應當能夠清晰顯示降低運作頻率也有益于增添發射量。
  AM射一再再三再三段考量
  汽車EMI尺度的其中一個難點與AM頻段有關。該頻段從500kHz泉源,一直一連到2MHz,關于開關穩壓器而言異常合適。由于梯形波形的最高能量元件是基礎元件(假定沒有任何電路板諧振),是以可在AM頻段崎嶇運作。
  負載周期主要嗎?
  此外一項主要因素是,假設負載周期恰恰是50%,严重年夜梯形切換波形的所有能量會以奇次諧波(1、3、5、7……)泛起。是以,以50%負載周期運作是最壞的情形。在50%崎嶇的負載周期,縱然泛起諧波,也會發生自然的EMI疏散。
  EMI及EMC尺度
  您可以將EMI視為不合適的能量,而這個能量不須要太多就有能夠背背發射尺度。現實上,EMI是相當低的能量效應。例如,在1MHz的狀態下,只需20nW的EMI便會背背FCC關于傳導發射的尺度。傳導發射是以頻譜剖析儀監測輸入高頻率元件而測得。線路阻抗穩固網路(LISN)可作為開關穩壓器的低阻抗,和頻譜剖析儀線路噪聲的高通濾波器。是以,開關穩壓器的輸入是下一個須要重视的地方。
  輸入濾波器的考量
  组成汽車泛起EMI的其中一個主要因素是開關穩壓器在電源排線上傳入AC電流。這些變換的電流自己具有輻射發射及傳導發射的種種波形。例如,在非隔離式升壓轉換器中,圖2(a)所示的輸入電容(C2)及升壓電感(L1)組成隔離線路發射的單向EMI濾波器。不外,輸入電流具有該波形傅里葉擴年夜的AC三角波形,如圖2(b)的綠色旌旗燈號線所示。
  只需加入L2及C2,波形便會釀成正弦曲線,而能量會重新調劑為相當低的高頻率峰值。不外,假設不克不及準確設計輸入濾波器,則會將噪聲縮小年夜而使得控制回路不穩固。是以,明確濾波器設計的看法,關于優化濾波器回触及資內情當主要。應用SPICE的AC剖析是有用明確濾波器行動的工具。
  豈論是設計降壓或升壓電源,差動形式濾波器或雙向電容輸入濾波器都相當適用,這些能夠防止EMI噪聲進入線路和輻射和/或傳導噪聲。須要重视的是,與濾波器元件相關的跨繞組終端電容及電容ESR等寄生元件會顯著影響諧波的衰減,是以應當審慎應用。
  選用準確的元件
  元件選擇是設計EMI兼容開關穩壓器的要害部門。例如,樊籬的電感有助于鐫汰會發生輻射且耦剖析為互感及高阻抗電路(例如PWM控制器的輸入誤差縮小年夜器)的漏磁場。
  具有軟反向或低反向恢復特點的二極管,能夠將從導通狀態釀成阻拦狀態的二極管相關的年夜浪涌電流降至最低。這些峰值電流會與寄生電容發生作用,而在超出100MHz的切換節點组成振蕩,而且對EMC實驗组成不良影響。雖然不在本文的談論辯說規模內,但照樣須要詮釋的是:不準確選用開關穩壓器的回路賠償元件,會使得EMI减轻。假設未準確賠償電源供應,輸入紋触及不穩固情形會使噪聲增添。經由適當賠償的電源供應是到達優勝噪聲性能的要害。
  謹記電流經由的途徑
  現在須要處置賞罰EMI兼容開關穩壓器最容易控制的必須層面,也就是電路旌旗燈號線途徑及元件職位。元件職位會在很年夜水平上影響電路旌旗燈號線途徑。前文曾經說過EMI是不合適的能量,而且變換的電流及電壓會經由歷程寄生電容、互感或空氣耦合到敏感電路(例如高阻抗)。是以,關于將的發射量降至最低、元件職位及電流途徑具有主要的功效。
  在一個電源的準確裝備中,必須將年夜電流導體的回路部門縮減至最小。這樣做能夠將作為天線源和發射能量的電感降至最低。其中一個層面是有用放置元件及選用去耦電容。圖3顯示同步降壓轉換器的輸入功率級與濾波器。C3將功率級去耦合,以便在Q2啟動時供應低阻抗源。為了將輻射發射量降至最低,必須如圖所示毗連C3,其中電容的固有阻抗、電路旌旗燈號線及經由歷程電感的互連均縮減至最小。另外,也須要具有諸如X7R等高自振頻率的高品行電容電介質。
  樊籬
  本文將詮釋的最后幾項手艺是噪聲樊籬及噪聲疏散,這些可在應用前文談論辯說的手艺以后用來提升噪聲容限。假設未到達EMC尺度或噪聲容限缺乏,則須要外部樊籬來轉移輻射電場發射量,以阻拦傳輸到EMC吸收器天線。
  散熱器或磁性焦點等外面泛起開關電壓時,會發生電場。通常經由歷程導電機殼便可樊籬電場,其中的導電質料可將電場轉換為電流,以隔離電場。雖然,其中也必須有該電流的途徑(浅易是接地)。然則,該電流组成的所有傳導噪聲能量須要用濾波器加以處置賞罰。外部磁場樊籬更具尋釁性(資源高),而且在較高頻率時的效果不佳。是以,應當審慎設計相關磁性元件及電路板回路部門。
  接納疏散頻譜
  最后,本文將探討此外一項愈來愈遭到普遍應用的手艺,能夠將峰值諧波能量漫衍于較年夜的頻帶,以有用降低該能量。該手艺被稱為展一再再三再三率哆嗦(SSFD),能夠經由歷程諧波峰值的降低將噪聲旌旗燈號從窄頻釀成寬頻,以改變噪聲頻譜。其中必須明確能量頻譜的變換,而所有能量則保持穩固。終究的效果是噪聲水平浅易會增添,從而危險高保真系統。圖4顯示發生的諧波疏散及峰值降低。浅易降低的幅度為5至10dB,后續的諧波會增添峰值降低的幅度。
  本文小結
  您可以花很長的時間明確EMI的严重年夜度,然則設計EMI兼容的開關穩壓器只須要明確應用電路及多數基礎電路設計屬性及波形剖析。豈論是設計汽車的開關穩壓器,照樣設計不應用電池的開關穩壓器或严重年夜的PEV電池充電器,設計EMI兼容的開關穩壓器都須要明確Maxwell方程式的看法。幸虧關于我們年夜多數人而言,其中并未觸及偏微分方程式,而只須要重视快速改變電壓/電流時泛起的磁場及電場,并明確本文中所述的手艺便可。
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