如何设计低电磁干扰的DC/DC转化器

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如何设计低电磁干扰的DC/DC转化器

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【导读】出于产品规范和系统性能的考虑，电源产生的电磁干扰(EMI)必须足够低。不过，电源的电磁干扰水平却是设计中最难精确预计的项目。本文中我们将考虑与低电磁干扰设计相关的两种常见的折中方案;热性能、电磁干扰以及与PCB布局和电磁干扰相关的方案尺寸等。

文中我们将使用一个简单的降压转换器做例子，如图1所示。

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图1：普通的降压转换器

在频域内测量辐射和传导电磁干扰，这就是对已知波形做傅里叶级数展开，本文中我们着重考虑辐射电磁干扰性能。在同步降压转换器中，引起电磁干扰的主要开关波形是由Q1和Q2产生的，也就是每个场效应管在其各自导通周期内从漏极到源极的电流di/dt。图2所示的电流波形(Q和Q2on)不是很规则的梯形，但是我们的操作自由度也就更大，因为导体电流的过渡相对较慢，所以可以应用Henry Ott经典著作《电子系统中的噪声降低技术》中的公式1。我们发现，对于一个类似的波形，其上升和下降时间会直接影响谐波振幅或傅里叶系数(In)。

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图2：Q1和Q2的波形

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In=2IdSin(nπd)/nπd ×Sin(nπtr/T)/nπtr/T (1)
其中，n是谐波级次，T是周期，I是波形的峰值电流强度，d是占空比，而tr是tr或tf的最小值。

在实际应用中，极有可能会同时遇到奇次和偶次谐波发射。如果只产生奇次谐波，那么波形的占空比必须精确为50%。而实际情况中极少有这样的占空比精度。

谐波系列的电磁干扰幅度受Q1和Q2的通断影响。在测量漏源电压VDS的上升时间tr和下降时间tf，或流经Q1和Q2的电流上升率di/dt 时，可以很明显看到这一点。这也表示，我们可以很简单地通过减缓Q1或Q2的通断速度来降低电磁干扰水平。事实正是如此，延长开关时间的确对频率高于 f=1/πtr的谐波有很大影响。不过，此时必须在增加散热和降低损耗间进行折中。尽管如此，对这些参数加以控制仍是一个好方法，它有助于在电磁干扰和热性能间取得平衡。具体可以通过增加一个小阻值电阻(通常小于5Ω)实现，该电阻与Q1和Q2的栅极串联即可控制tr和tf，你也可以给栅极电阻串联一个 “关断二极管”来独立控制过渡时间tr或tf(见图3)。这其实是一个迭代过程，甚至连经验最丰富的电源设计人员都使用这种方法。我们的最终目标是通过放慢晶体管的通断速度，使电磁干扰降低至可接受的水平，同时保证其温度足够低以确保稳定性。

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图3：用关联二极管来控制过渡时间

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热性能、电磁干扰以及与PCB布局和电磁干扰相关的方案尺寸