如何使用轉(zhuǎn)換速率控制EMI？

    許多工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用中都使用了同步降壓轉(zhuǎn)換器電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；此類(lèi)應(yīng)用還要求具有低傳導(dǎo)放射和輻射放射特性，以確保電源不會(huì)干擾共用同一條總線(xiàn)的其它設(shè)備（輸入電壓 [VIN]）。例如，在汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)中，電子干擾(EMI) 會(huì)在汽車(chē)立體音響中發(fā)出撓人的噪音。

    圖1顯示了同步降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖以及其開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形。高側(cè)MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和高側(cè)/低側(cè)MOSFET與印刷電路板(PCB)雜散電感和電容都具有在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形達(dá)到峰值時(shí)振鈴的功能。而我們不需要開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形振鈴，因?yàn)樗鼤?huì)增大低側(cè)MOSFET的電壓應(yīng)力，并產(chǎn)生電磁干擾。

圖1：同步降壓轉(zhuǎn)換器

    為了確定圖1中降壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴與其所產(chǎn)生電磁干擾之間的關(guān)系，我按照國(guó)家無(wú)線(xiàn)電干擾特別委員會(huì)(CISPR) 25 Class 5的規(guī)定進(jìn)行了傳導(dǎo)放射測(cè)試。圖2顯示了測(cè)試的結(jié)果。測(cè)得的數(shù)據(jù)顯示：在30MHz-108MHz的頻率范圍內(nèi)，降壓轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)放射值比Class 5限制高出了15dBµV。

圖2：CISPR 25 Class 5, 30MHz-108MHz，降壓轉(zhuǎn)換器 VIN = 12V, VOUT = 3.3V, IOUT= 5A

    要降低電磁輻射，首先要降低開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的振鈴噪聲。有以下幾種方法：首先減緩MOSFET的接通和關(guān)閉時(shí)間，從而控制開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的上升和下降時(shí)間。在串聯(lián)電阻器（RHO與RLO）上加裝MOSFET的柵極引線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)該功能；參見(jiàn)圖3。第二步是在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)與接地之間加裝一個(gè)緩沖器（RSUB與CSUB）。緩沖器電路可以在轉(zhuǎn)換過(guò)渡期間抑制寄生電感和電容。

圖3：接通和關(guān)閉電路

    除利用上述方法來(lái)降低開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴噪音外，還有另一種方法，就是使用LM5140-Q1符合汽車(chē)應(yīng)用要求的同步降壓控制器。LM5140-Q1的一大重要特性是轉(zhuǎn)換速率控制。通過(guò)引出驅(qū)動(dòng)器的源側(cè)和接收側(cè)引線(xiàn)，可以獨(dú)立控制高/低側(cè)MOSFET的接通和關(guān)閉時(shí)間。

    在低側(cè)MOSFET關(guān)閉和高側(cè)頂部MOSFET接通期間，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓從接地升至VIN。如果高側(cè)頂部MOSFET接通過(guò)快，則在過(guò)渡時(shí)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)過(guò)沖。增大RHO電阻可以降低高側(cè)MOSFET的驅(qū)動(dòng)電流，減緩該MOSFET的接通時(shí)間，同時(shí)有助于降低開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴噪音。注意：減慢高側(cè)MOSFET的關(guān)閉時(shí)間會(huì)增大開(kāi)關(guān)損耗。在低電磁輻射和高側(cè)MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗之間選用RHO時(shí)，需要做一個(gè)權(quán)衡折衷。

    低側(cè)MOSFET損耗包括RDS(ON)損耗、空載時(shí)間損耗和MOSFET內(nèi)部體二極管的損耗。空載（高/低側(cè)MOSFET均處于關(guān)閉狀態(tài)）時(shí)，低側(cè)MOSFET的內(nèi)部體二極管可傳導(dǎo)感應(yīng)器電流。一般情況下，MOSFET的內(nèi)部體二極管都有較高的正向電壓降，因此其效率會(huì)大幅降低。而縮短低側(cè)MOSFET內(nèi)部體二極管傳導(dǎo)電流的時(shí)間可以提高效率。

    利用轉(zhuǎn)換速率控制可以在LM5140-Q1驅(qū)動(dòng)器輸出（LO引腳）和低側(cè)MOSFET柵極之間插入一個(gè)電阻器(ROL)，用來(lái)延長(zhǎng)低側(cè)MOSFET關(guān)閉所需的時(shí)間。減慢關(guān)閉時(shí)間可以減少低側(cè)和高側(cè)MOSFET傳導(dǎo)的空載時(shí)間，提高降壓轉(zhuǎn)換器的效率。縮短同步降壓的空載時(shí)間時(shí)，切勿同時(shí)傳導(dǎo)高側(cè)和低側(cè)MOSFET。

圖4：降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形和轉(zhuǎn)換速率控制

    我使用LM5140-Q1控制器（參見(jiàn)圖4）改裝了圖1所示的電源。使用轉(zhuǎn)換速率控制優(yōu)化開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的上升和下降時(shí)間，消除了開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的振鈴噪音。

    下一步是進(jìn)行CISPR 25 Class 5傳導(dǎo)放射。我選用了以下轉(zhuǎn)換速率控制電阻器值：RHO = 10Ω, RHOL = 0Ω, RLO = 10Ω 和 RLOL = 10Ω。選擇用于此應(yīng)用的電阻器對(duì)于輸入功率低于50W的任何應(yīng)用來(lái)說(shuō)都是一個(gè)很好的起點(diǎn)。

    圖5顯示了傳導(dǎo)放射測(cè)試的結(jié)果和總結(jié)。

圖5：轉(zhuǎn)換速率控制比較：CISPR 25 Class 5, VIN = 12V, VOUT = 3.3V, IOUT = 5A，無(wú)轉(zhuǎn)換速率控制(a)和有轉(zhuǎn)換速率控制(b)

    降壓轉(zhuǎn)換器借助LM5140-Q1和轉(zhuǎn)換速率控制將傳導(dǎo)放射降低了21dBµV。此外還增強(qiáng)了對(duì)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上升和下降的控制，同時(shí)無(wú)需使用緩沖電路，降低了電路的復(fù)雜性和成本。

    挑選出轉(zhuǎn)換速率控制電阻器的正確值，不僅可以降低電磁輻射，還能同時(shí)提高系統(tǒng)的效率。<