功率轉(zhuǎn)換拓樸架構(gòu)及EMI噪聲

所有的電子設(shè)備都是以直流電供電的，通常是經(jīng)過 AC 整流。再由 DC-DC 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)壓，轉(zhuǎn)到負(fù)載所需的電壓。目前，大部份的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器己普遍以高頻率的開關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，有效的高頻率開關(guān)一直被視為模塊功率密度大小，性能表現(xiàn)優(yōu)劣的關(guān)鍵。開關(guān)頻率愈高，所用的磁性元件和電容愈小，反應(yīng)時(shí)間更快，噪聲更低，所需濾波器較細(xì)小。

但是所有的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器還是會(huì)產(chǎn)生電磁干擾 (EMI) 或者噪聲的，而所產(chǎn)生的噪聲水平，不論是共模的，差模的或者是輻射噪聲，會(huì)因?yàn)椴煌纳a(chǎn)廠，或者是采用不同的轉(zhuǎn)換技術(shù)而產(chǎn)生很大的差異，這些差別的根源在于這些噪聲是如何產(chǎn)生的。

雖然沒有一種功率轉(zhuǎn)換拓樸結(jié)構(gòu)是完美的，但有些拓樸結(jié)構(gòu)是特別配合某些應(yīng)用要求的。市面上有上百種的DC-DC 轉(zhuǎn)換器，各有不同的設(shè)計(jì)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大體可以歸為兩大類：脈寬調(diào)制式 (PWM) 和準(zhǔn)諧振零電流開關(guān) (ZCS) 兩種。

要完全了解數(shù)量這么多的拓樸結(jié)構(gòu)是非常艱巨的任務(wù)，本文只著重分析兩種主流拓樸結(jié)構(gòu)的噪聲表現(xiàn)。具體比較固定頻率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器 (PWM) 和變頻準(zhǔn)諧振 DC-DC 轉(zhuǎn)換器 (零電流 ZCS) 的表現(xiàn)。

脈寬調(diào)制式與準(zhǔn)諧振零電流開關(guān)的比較 

脈寬調(diào)制式 (PWM) 模塊的功率密度是有局限的，因?yàn)樗枰诠ぷ餍屎烷_關(guān)頻率間作取舍。問題的核心在于“開關(guān)損耗”。開關(guān)元件在瞬時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，使電感電流產(chǎn)生不連續(xù)性的狀態(tài)，因而產(chǎn)生熱量。由開關(guān)損耗引發(fā)的功耗，會(huì)直接隨著脈寬調(diào)制式模塊的開關(guān)頻率增高而增大，直至它變?yōu)橐粋€(gè)顯著的耗損成因，達(dá)到了那一點(diǎn)，效率會(huì)迅速減低，開關(guān)元件所承受的熱及電能應(yīng)力變得無(wú)法處理。這種非零電流開關(guān)模塊具有開關(guān)損耗的屬性，變?yōu)殚_關(guān)頻率障礙，限制了它提升功率密度的能力。

準(zhǔn)諧振的零電流開關(guān)轉(zhuǎn)換器采用正向開關(guān)拓樸，只在電流經(jīng)過零的時(shí)侯才開關(guān)，克服了開關(guān)頻率障礙。每個(gè)開關(guān)周期傳送等量的“能量包”到模塊的輸出端。每個(gè)“開” 與“關(guān)”都在零電流的瞬間進(jìn)行，形成一種近于沒有功耗的開關(guān)。零電流開關(guān)轉(zhuǎn)換器的工作頻率可超出 1 MHz。它避免了傳統(tǒng)拓樸結(jié)構(gòu)那不連續(xù)性電流的特性；實(shí)現(xiàn)“無(wú)功耗” 的把能量由輸入傳輸至輸出，大大減低傳導(dǎo)和輻射噪聲。

由 PWM 和 ZCS 轉(zhuǎn)換器衍生出來(lái)的噪聲是有很大分別的。圖1 比較 PWM 和 ZCS 轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)噪聲，很明顯的，ZCS 轉(zhuǎn)換器的波形是一個(gè)正弦波而不是方波。此外，由于電流的波形沒有幾乎垂直上升和下降的尖削部份， 而且諧波含量較低，減少寄生元件的應(yīng)力，因而噪聲更低。相反，PWM 的輸入電壓是以固定頻率開關(guān) (一般是數(shù)百 kHz)，做成一連串的脈沖，利用調(diào)節(jié)脈沖的寬度來(lái)為負(fù)載提供正確的輸出電壓及足夠的電流。滿載時(shí)，電流的波形好像是一個(gè)方波 (圖2)。

圖1 – 帶共模扼流圈的零電流開關(guān)轉(zhuǎn)換器 (圖左) 和帶濾波器的脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器 (圖右) 的傳導(dǎo)輸入噪聲頻譜。

圖2 - 零電流開關(guān)和脈寬調(diào)制式架構(gòu)的電流波形

很多電源工程師都以為，濾掉固定頻率轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的噪聲比濾掉變頻轉(zhuǎn)換器的來(lái)得容易，事實(shí)剛好相反 1。 這只是“固定頻率”這名詞帶來(lái)的錯(cuò)覺?；旧鲜莻€(gè)“誤稱”。因?yàn)閮蓚€(gè)架構(gòu)都同時(shí)擁有大體固定頻率的元素，和因應(yīng)操作點(diǎn)而改變的不固定頻率元素。

轉(zhuǎn)換器規(guī)格: 48 V 輸入，5 V 輸出，30A?！　?/p>

圖2 比較電流流到主開關(guān)的波型圖。準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的頻寬或?qū)〞r(shí)間 T1 是固定的，而開關(guān)頻率 T2 是可變的。相反， PWM 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)周期是固定的，而頻寬是可變的。圖3 顯示這兩個(gè)拓?fù)洚a(chǎn)生的噪聲圖譜。

圖3 – PWM (上圖）和零電流開關(guān)（下圖）的電流波形和頻譜。注：波形并不按比例繪制。

然而，在變頻的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗旧鲜且粋€(gè)半波整流的正弦波，沒有涉及電流波型的上升及下降陡邊的高頻份量。因此，變頻轉(zhuǎn)換器的波型頻譜幅度較低，帶寬也較窄。

在 PWM 變換器，大部分能量是在固定頻率及其奇數(shù)倍數(shù)﹝諧波﹞上的。一個(gè)100 kHz 的 PWM 變換器，它的傳導(dǎo)噪聲主要在 100 kHz，有一些在 300 和 500 kHz。因?yàn)樗欠讲?，?0 – 30 MHz 間有明顯的諧波，也就是高的 di/dt 激發(fā)了轉(zhuǎn)換器內(nèi)的寄生元件。需預(yù)備足夠的輸入濾波器來(lái)濾掉滿載時(shí)的 100 kHz 噪聲。這些轉(zhuǎn)換器的波形，頻譜噪聲水平較高，諧波分布范圍較廣。

顯然，如要盡量減少DC-DC轉(zhuǎn)換器的噪聲，第一個(gè)步驟應(yīng)是選擇一個(gè)合適的拓?fù)浼軜?gòu)，如固有共模噪聲較低的零電流開關(guān)。此外，在噪聲敏感的應(yīng)用，應(yīng)避免使用具以下特性的轉(zhuǎn)換器。如把控制器件安裝在銅板，這樣會(huì)使把初級(jí)控制元件和次級(jí)控制元件間，透過銅板產(chǎn)生寄生電容，因而形成更高幅度的共模噪聲。

無(wú)源 EMI 濾波器

雖然，電源模塊通常會(huì)帶內(nèi)部輸入和輸出濾波器；但如果要滿足系統(tǒng)要求，或需要符合認(rèn)可的規(guī)格如 FCC，以及歐盟有關(guān)電源系統(tǒng)傳導(dǎo)到電網(wǎng)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)，便需要外加濾波器。許多電源工程師會(huì)自己動(dòng)手設(shè)計(jì)方案，大部份 DC-DC 轉(zhuǎn)換器制造商會(huì)提供詳細(xì)的應(yīng)用筆記，并派出具豐富知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用工程師協(xié)助解決這些問題。此外，還有一些 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的供應(yīng)商，提供交流前端和 EMI 濾波器模塊。使用這些過濾器模塊不僅節(jié)省時(shí)間，而且質(zhì)量，性能比較有保證。這些 EMI 濾波器是專為配合供應(yīng)商的轉(zhuǎn)換器模塊而設(shè)計(jì)的，只要布線妥當(dāng)，把轉(zhuǎn)換器模塊和濾波器配套使用， 保證能滿足特定的 EMC 規(guī)格。

在美國(guó)和歐洲，傳導(dǎo)噪聲是按 FCC 和 VDE 標(biāo)準(zhǔn)A 級(jí)和B 級(jí)限制嚴(yán)格規(guī)管的。在美國(guó)，工業(yè)設(shè)備的傳導(dǎo)噪聲應(yīng)滿足 FCC 標(biāo)準(zhǔn) A 級(jí)要求，家用電器的傳導(dǎo)噪聲應(yīng)滿足更嚴(yán)格的 FCC B 級(jí)要求。在歐洲，所有國(guó)家均要求工業(yè)設(shè)備和家用電器符合 EN55022 (或 VDE) B 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)時(shí)多數(shù)的開關(guān)電源的開關(guān)頻率在 100 kHz 至   1 MHz 之間。通常反射到電網(wǎng)之傳導(dǎo)噪聲頻譜上的主要尖峰來(lái)自開關(guān)頻率之基頻及其諧波分量。

這些傳導(dǎo)噪聲標(biāo)準(zhǔn)，如 EN55011 和 EN55022，規(guī)范了從轉(zhuǎn)換器反射到電網(wǎng)的傳導(dǎo)噪聲在 150 KHz 至 30 MHz 頻帶間不能超過規(guī)定之上限。要符合這些要求，所有傳導(dǎo)噪聲，即頻譜上的尖點(diǎn)部份，必須低于規(guī)定的限度。

這些 EMI 濾波器通常是造成一個(gè)器件，(配置與圖4 相似) 。它是一個(gè)帶穿孔引腳的器件，內(nèi)配共模扼流圈和 Y-電容器 (線到地)，另加兩個(gè)電感器和一個(gè) X-電容器（線到線）。由 Z1 提供瞬變保護(hù)，這樣子的濾波器有足夠的衰減能力，可以符合級(jí)別 B 的傳導(dǎo)噪聲限制。

圖4 –符合EN55022，B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的EMI輸入濾波器

此外，電容器、電感器，和濾波器（有源和無(wú)源）等器件都是經(jīng)常用來(lái)衰減傳導(dǎo)噪聲的 (無(wú)論是共?；虿钅Ｔ肼? 。下文會(huì)討論把各種器件遂一加上后的濾波表現(xiàn)，并提出一種新的 EMI 方案。

圖5a 左邊顯示一個(gè) 48 V DC-DC 轉(zhuǎn)換器，在輸入端接上一個(gè)差模電容 C1。 這個(gè)單一的 120 F，100 V 電解電容，是用來(lái)保持低輸入阻抗，穩(wěn)定電壓和確保良好的瞬變反應(yīng)。它為模塊儲(chǔ)能，應(yīng)盡量靠近輸入端，達(dá)到最佳效果。

以這個(gè)配置為起點(diǎn)，圖5a 右邊顯示一個(gè) 48 V 輸入，150 W 滿載工作的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器連接一個(gè)差模電容后的諧波水平，以及按級(jí)別 A 及 B 要求的EMI 和諧波標(biāo)準(zhǔn)。明顯地，只加上一個(gè)差模電容，是不能滿足要求的。

圖5b 顯示加上旁路電容及差模電容的情形，噪聲水平雖仍未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，但已有很明顯的改善。注意每個(gè)接在輸入和輸出端上的旁路電容是與基板接地的。這些電容是業(yè)內(nèi)常用的 4700 pF，100 V 的 Y-電容。Y-電容對(duì)衰減轉(zhuǎn)換器衍生出來(lái)的噪聲是十分有效的。

48 V 轉(zhuǎn)換器滿載時(shí)所產(chǎn)生的噪聲是較高的，它比一個(gè) 3.3 V 半載的轉(zhuǎn)換器要高。無(wú)論如何，在圖5b 可以看到明顯的改善。

再加上一個(gè) 27 µH 的差模電感 L1，在圖5c 看到，48 V 轉(zhuǎn)換器在低頻部份仍然不達(dá)標(biāo)，噪聲水平還是高于 B 級(jí)的限制。

圖5d，是用共模扼流圈取代差模扼流圈，共模扼流圈本身也具差模電感，可取代差模扼流圈。共模扼流圈可以增大 Y-電容的衰減能力，因?yàn)楣材６罅魅?duì)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生之共模噪聲形成高阻抗，使噪聲沿著較低阻抗之路徑，經(jīng) Y-電容傳到大地。

圖5 - 48 V, 150 W DC-DC轉(zhuǎn)換器接上不同器件的噪聲頻譜。

a.差模電容 b.旁路電容 c.差模電感 d.共模濾波器 (去掉差模扼流圈)

48 V 轉(zhuǎn)換器的噪聲現(xiàn)在只是稍稍高于級(jí)別 B 標(biāo)準(zhǔn)，需要稍稍加些濾波器。3.3 V 轉(zhuǎn)換器加共模濾波器以后，無(wú)論是滿載或半載，都完全符合級(jí)別 B 的標(biāo)準(zhǔn)了。

有源 EMI 濾波器。電子行業(yè)不斷要求產(chǎn)品體積更小巧，和擁有更多功能，這趨勢(shì)已是不可逆轉(zhuǎn)的。系統(tǒng)的體積不斷壓縮，要把更多的功能擠在板上或者是機(jī)架內(nèi)，儀器之間互相干擾的機(jī)會(huì)大增。由于頻率增加和電壓水平下降，電磁干擾控制，成為一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)任務(wù)。要把電磁干擾好好的控制，是十分復(fù)雜的事情，整個(gè)設(shè)計(jì)受到多種因素影響，要用上多種濾波器 (有源或無(wú)源的) 來(lái)把傳導(dǎo)噪聲管理好。

與無(wú)源濾波方案比較，有源濾波器可減少共模扼流圈所占用的空間，令整個(gè)元件體積只有1" x 1" x 0.2"，是非常纖薄的表面貼裝的元件?？偟膩?lái)說(shuō)這方案節(jié)省占用電路板空間，而且元件很薄，可讓空氣在上面流動(dòng)，幫助散熱。

有源 EMI 濾波器 (見圖6 QPI) 可衰減 150 KHz 至 30 MHz 間的共模及差模噪聲，滿足 EN55022 (CISPR22)要求。

圖6 - 有源濾波器 (QP1) 與 DC-DC 轉(zhuǎn)換器連接圖。

Cin，C1，C2，C3 及 C4 的值應(yīng)由 DC-DC 轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)廠提供。

圖7 是連上有源濾波器與沒有連上濾波器的噪聲測(cè)試圖。測(cè)試條件按 CISPR22 標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果顯示帶載的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，它的總噪聲低于 EN55022 級(jí)別 B 準(zhǔn)波峰檢測(cè)水平，顯示有源濾波器有效的濾掉傳導(dǎo)噪聲。

圖7- DC-DC轉(zhuǎn)換器傳導(dǎo) EMI 噪聲。

連上有源濾波器 (下圖);沒有濾波器 (上圖)

選擇和評(píng)定 EMI 濾波器時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該留意，他們必須測(cè)試濾波器用在他們的產(chǎn)品上的表現(xiàn)，而且測(cè)試裝置及條件必須符合其產(chǎn)品所須遵循的 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。在選擇濾波器和合適的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)參考未加濾波器時(shí)波幅和頻譜。

一個(gè)產(chǎn)品的傳導(dǎo)噪聲，應(yīng)包含差模和共模噪聲，可能還包括輻射噪聲，那要取決于 EUT 屏蔽和布線屏蔽的測(cè)量裝置。IEC 國(guó)際電工委員會(huì)的 CISPR 16-2-1，列明量度傳導(dǎo)干擾的方法。

濾波器的性能是非常依賴輸入母線和負(fù)載阻抗的。并不能單從零偏壓，50  插入損耗數(shù)據(jù)推斷出來(lái)。濾波元件, 儀器接地，以及噪聲源阻抗等都會(huì)影響最后的噪聲表現(xiàn), 會(huì)改變相關(guān)頻譜的幅度和相位。

有源 EMI 濾波器，可衰減 150 KHz 至 30 MHz 間的共模及差模噪聲，滿足 EN55022 要求。它透過感應(yīng)流向母線的共模電流，在屏蔽板產(chǎn)生低阻抗，把噪聲引導(dǎo)到產(chǎn)生噪聲的源頭。當(dāng)有源 EMI 濾波器按圖6 所示連接妥當(dāng)，控制回路會(huì)主動(dòng)的驅(qū)動(dòng)屏蔽腳，減少在母線內(nèi)的共模電流，直到共模電流值衰減至如圖7 所示水平。

1. L. Hsiu, M. Goldman, R. Carlsten, A. Witulski, and     W. Kerwin, “Characterization and Comparison of Noise Generation for Quasi-Resonant and Pulse width-Modulated Converters”, IEEE Transactions on Power Electronics,   Vol. 9, No. 4, July 1994.