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解决开关模式DC-DC转换器的噪声和空间问题的PowerSoC

上网日期: 2012年04月23日 ?? 作者: Michael G. Laflin,Austin Lesea ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:DC-DC转换器? PowerSoC? EMI?

直流-直流噪声关键分量和降噪策略

降压型直流-直流转换器有效地将直流电压“分成”交流电压,然后转换回到伪直流电压。此过程产生了四种不同的噪声:1) 转换器直流输出侧的纹波电压,2) 转换器输入电源侧的纹波电压,3) 辐射性电磁干扰,和4)传导性电磁干扰。

输出电压纹波

每个被动元件除了本身的基本功能(电阻、电容、电感)外,还具有另外两个寄生元素:如果是电容,即为等效串联电阻 (ESR) 和等效串联电感 (ESL);如果是电阻,则是等效串联电感和等效并联电容。

输出纹波是交流纹波电流分流或流经输出滤波电容时的副产物。图2展示了小型的输出滤波电容信号模型,和该模型各成分对输出纹波波形的作用。请注意输出滤波电容的ESL是由PCB引线的寄生电感和转换器的内部寄生电感结合形成。ESL通过感应“振动”产生高频尖峰信号。

解决开关模式DC-DC转换器的噪声和空间问题的PowerSoC(电子工程专辑)
图2:输出电压纹波分量和来源

大多数直流-直流转换器供应商的数据表显示了低通滤波纹波的波形,因此通常无法稳定指示给定应用情况中PCB上测量得到的实际纹波。

降噪策略

基本而言,要降低输出纹波可通过减小纹波电流和 / 或降低电容器 的ESR和ESL以及PCB引线的ESL。

●在开关频率较高的一侧操作将降低给定电感值的纹波电流,从而可以使用较小且ESR/ESL较低的陶瓷电容。但开关频率的升高会增加MOSFET开关的开关损耗,并影响效率。

●将多个电容并联可降低ESR/ESL,就如将电阻并联以降低其合成电阻一样。随着电容个数增加,PCB ESL增加,其效果受到限制,并且将增加转换器的消耗。

●使用小尺寸的滤波元件(电感器和电容)可以减少PCB的长度,从而降低PCB ESL。可惜小尺寸的电感器通常会导致纹波电流较大,但不增加开关频率。

●使用两级滤波,例如在直流-直流输出滤波段和目标负载之间使用铁氧体磁珠和电容。这种方法的缺点在于额外的致损耗元件将影响调压效果,并可能降低效率。

输入电压纹波

随着SW1 MOSFET打开和闭合,电流从电源(VIN)流出,形成近似矩形的脉冲波形。上升和下降时间非常快,大约几毫微秒。

与由输出滤波电容和PCB引线ESL产生的输出纹波相似,输入滤波电容ESR和ESL,以及电源PCB引线ESL产生输入纹波。然而,随着电流时间比(di/dt)的变化增大,输入电流纹波幅度要大的多。因此,PCB电感的影响更为重要,而输入滤波电容必须耐受更高的RMS电流。又大又快的开关电流也是传导性和辐射性EMI(稍后将探讨)的主要来源。

降噪策略

●与输出滤波电容一样,在开关频率较高的一侧操作将可以使用较小且ESR/ESL较低的陶瓷输入滤波电容。同样应注意开关损耗将变大。

●将输入滤波回路中的寄生电感降至最低。这主要通过将滤波电容尽可能靠近直流-直流转换器,以及尽可能短且宽的PCB引线来实现。通常不得将输入滤波电容安装在PCB的对边且通过vias与直流-直流转换器连接,否则会将大量电感引入电流回路中。

辐射性EMI

●又大又快的开关电流流经输入交流电流回路会产生辐射性EMI。如电磁场课程所述,环形天线的辐射效率是回路半径相对于辐射波长的函数。


●公式1列出了环形天线辐射产生的功率与半径r和波长λ的关系;h是自由空间常数。请注意回路半径存在r8关系,而波长存在λ4的关系。因此,在频率较高的一侧操作的显著优点是可使用较小尺寸的元件,以缩小输入电流回路半径。

降噪策略

减少输入交流电流回路的半径。通过在较高频率一侧开关以使用较小尺寸的陶瓷滤波电容,即可达到此目的。同样应注意,如上文所述,开关频率越高,开关损耗也越大。

传导性EMI

传导性EMI有两个主要来源:首先是输入电压干线产生的快速开关输入电流,它会造成电源纹波(差模)和接地弹跳(共模)EMI;其次则是在电路板PCB引线上的电感器磁通泄漏耦合。

降噪策略

●使用大小合适的输入滤波电容供应或过滤高频交流电源,以便尽可能降低电源干线上的电流。

●将输入交流电流回路中的寄生电感和 ESL 降至最低。这可以通过在开关频率较高的一侧操作实现,这样就可以使用低 ESL 的陶瓷电容器,从而缩小回路半径。需要再次强调的是开关频率越高,开关损耗也越高。

●让输入滤波电容的 PCB 引线尽可能短且宽以降低引线电感。

●使用屏蔽式电感器以降低磁漏。

点击下一页:PowerSoC作为降噪策略


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