TI工程师：如何设计EMI兼容的汽车开关稳压器

不需要完全了解复杂的EMI，即可轻松设计EMI兼容的汽车开关稳压器。本文以没有复杂数学运算的直觉方式，分享成功实现开关稳压器的基本因素，主要包括：斜率控制、滤波器设计、元件选用、配置、噪声扩散及屏蔽。

　　汽车本身不断变化，驱动汽车的电子装置也是如此。其中最显著的莫过于插电式电动汽车（PEV），它们采用300V至400V的锂离子电池和三相推进马达取代取代燃气罐和内燃机。精密的电池组电量监控、再生制动系统及复杂的传输控制可将电池使用时间优化，使得电池需要充电的频率减少。此外，现今的电动汽车或其它种类的汽车都具有许多可提升性能、安全、便利性及舒适感的电子模块。许多中档车均配备先进的全球定位系统（GPS）、集成DVD播放器及高性能音响系统。

　　伴随这些先进设备而来的，是对更高处理速度的需求。因此，现今的汽车整合了高性能微处理器及DSP，使得核心电压下降至1V，并且使电流上升5A。使介于6V至40V之间的汽车电池产生如此的电压及电流需要面临许多难题，其中一项是达到电磁兼容性测试（EMC）的严格标准。线性稳压器曾经是将汽车电池电压转换为调节的电源电压所使用的主要方法，但现在已经不合时宜。更准确地说，线性稳压器使得输出电压降低而导致负载电流增加。开关稳压器则愈来愈受到广泛使用，随之而来的是对于电磁波干扰（EMI）无线射频的忧虑，以及对于安全性系统的重视。

　　本文将以没有复杂数学运算的直觉方式，探讨成功实现开关稳压器的基本因素，主要包括：斜率（slew rate）控制、滤波器设计、元件选用、配置、噪声扩散及屏蔽。

　　用简单方法实现开关电源EMC

　　本文的目的在于不需要完全了解复杂的EMI，即可尝试设计EMI兼容的开关稳压器。事实上，与EMI有关的所有问题都来源于未完全达到开关稳压器内电压与电流变化的速率，以及与电路板信号线上或元件内寄生电路元件的互动方式。以通过额定14V且以5A产生5V电压的汽车电池产生动力的200kHz降压型开关稳压器为例，若要达到可观的效率，开关节点的电压斜率应该只占导通时间的一小段，例如1/12以下。连续导电模式（CCM）下运作的降压转换器导通时间为D/fsw，其中D是负载周期或脉宽调制（PWM）信号开启时间百分比与整段时间的比值（ton及toff），而fsw是转换器的开关频率。

　　对于CCM中运作的降压转换器，电感电流一直是非零的正电流。在这种情况下，负载周期为D=Vout/Vin，在本例中为38%（5V/14V）。使用200kHz的开关频率时，我们很快计算出导通时间为1.8μs。为支持此频率，控制开关的上升/下降时间必须小于90纳秒。这使得我们注意到第一个减少噪声的方法，也就是斜率控制。您可能还无法理解，但是此时我们非常了解与PWM切换节点有关的谐波，也就是开关稳压器的控制波形。如果将此波形以图1（a）中所示的梯形表示，波形的谐波便能够以图1（b）中的内容表示，这表明了EMI背后的驱动因素。这一傅里叶包络定义了可通过傅里叶分析或计算梯形波形导通时间及上升时间取得的谐波振幅。

　　观察频域时，可看出相等上升和下降时间的梯形波形是由不同的谐波信号所组成，这些信号存在于周期信号基本频率的整数倍数。值得注意的是，各谐波的能量会在1/（π×τ）的第一个转折点（导通时间）减至20dB/dec，并且在1/（π×tr）的第二个转折点减至40dB/dec。因此，限制开关节点波形的斜率会对减少发射量具有重大影响。通过这项探讨，应该能够清楚显示降低运作频率也有利于减少发射量。

　　AM射频频段考量

　　汽车EMI规范的其中一个难点与AM频段有关。该频段从500kHz开始，一直持续到2MHz，对于开关稳压器而言非常适合。由于梯形波形的最高能量元件是基本元件（假设没有任何电路板谐振），因此可在AM频段上下运作。

　　负载周期重要吗？

　　另一项重要因素是，如果负载周期刚好是50%，复杂梯形切换波形的所有能量会以奇次谐波（1、3、5、7……）呈现。因此，以50%负载周期运作是最坏的情况。在50%上下的负载周期，即使出现谐波，也会发生自然的EMI扩散。