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DC/DC转换器传导EMI-第2部分 噪声传播和滤波
2019-09-03     来源:电子世界    浏览:65    评论:0        
导读:高开关频率是在电源转换技术发展过程中促进尺寸减小的主要因素。为了符合相关法规,通常需要采用电磁干扰 (EMI) 滤波器,而该滤波器通常在系统总体尺寸和体积中占据很大一部分,因此了解高频转换器的 EMI 特性至关重

高开关频率是在电源转换技术发展过程中促进尺寸减小的主要因素。为了符合相关法规,通常需要采用电磁干扰 (EMI) 滤波器,而该滤波器通常在系统总体尺寸和体积中占据很大一部分,因此了解高频转换器的 EMI 特性至关重要。

在本系列文章的第 2 部分,您将了解差模 (DM) 和共模 (CM) 传导发射噪声分量的噪声源和传播路径,从而深入了解 DC/DC 转换器的传导 EMI 特性。本部分将介绍如何从总噪声测量结果中分离出 DM/CM 噪声,并将以升压转换器为例,重点介绍适用于汽车应用的主要 CM 噪声传导路径。

DM 和 CM 传导干扰

DM 和 CM 信号代表两种形式的传导发射。DM 电流通常称为对称模式信号或横向信号,而CM电流通常称为非对称模式信号或纵向信号。图 1 显示了同步降压和升压DC/DC拓扑中的DM和CM电流路径。Y电容CY1 和CY2 分别从正负电源线连接到GND,轻松形成了完整的CM电流传播路径 [1]

DM和CM传导噪声路径.png

图 1 同步降压 (a) 和升压 (b) 转换器 DM 和 CM 传导噪声路径

DM 传导噪声

DM 噪声电流 (IDM) 由转换器固有开关动作产生,并在正负电源线 L1 和 L2 中以相反方向流动。DM 传导发射为“电流驱动型”,与开关电流 (di/dt)、磁场和低阻抗相关。DM 噪声通常在较小的回路区域流动,返回路径封闭且紧凑。

例如,在连续导通模式 (CCM) 下,降压转换器会产生一种梯形电流,且这种电流中谐波比较多。这些谐波在电源线上会表现为噪声。降压转换器的输入电容(图 1 中的 CIN)有助于滤除这些高阶电流谐波,但由于电容的非理想寄生特性(等效串联电感 (ESL) 和等效串联电阻 (ESR)),有些谐波难免会以 DM 噪声形式出现在电源电流中,即使在添加实用的 EMI 输入滤波器级之后也于事无补。

CM 传导噪声

另一方面,CM 噪声电流 (ICM) 会流入接地 GND 线并通过 L1 和 L2 电源线返回。CM 传导发射为“电压驱动型”,与高转换率电压 (dv/dt)、电场和高阻抗相关。在非隔离式 DC/DC 开关转换器中,由于 SW 节点处的 dv/dt 较高,产生了 CM 噪声,从而导致产生位移电流。该电流通过与 MOSFET 外壳、散热器和 SW 节点走线相关的寄生电容耦合到 GND 系统。与转换器输入或输出端的接线较长相关的耦合电容也可能构成 CM 噪声路径。

图 1 中的 CM 电流通过输入 EMI 滤波器的 Y 电容(CY1 和 CY2)返回。另一条返回路径为,通过 LISN 装置(在本系列文章的第 1 部分中讨论过)的 50Ω 测量阻抗返回,这显然是不合需要的。尽管 CM 电流的幅值远小于 DM 电流,但相对来说更难以处理,因为它通常在较大的传导回路区域流动,如同天线一般,可能增加辐射 EMI。

图 2 显示了 Fly-Buck(隔离式降压)转换器的 DM 和 CM 传导路径。CM 电流通过变压器 T1 的集总绕组间电容(图 2 中的 CPS)流到二次侧,并通过接地 GND 连接返回。图 2 还显示了 CM 传播的简化等效电路。

Fly-Buck 隔离式转换器.png

图 2 Fly-Buck 隔离式转换器 DM 和 CM 传导噪声传播路径 (a);CM 等效电路 (b)

在实际的转换器中,以下元件寄生效应均会影响电压和电流波形以及 CM 噪声:

• MOSFET 输出电容 (COSS)。

• 整流二极管结电容 (CD)。

• 主电感绕组的等效并联电容 (EPC)。

• 输入和输出电容的等效串联电感 (ESL)。

相关内容,我将在第 3 部分中进一步详细介绍。

噪声源和传播路径

正如第 1 部分所述,测量 DC/DC 转换器传导发射(对于 CISPR 32 标准,规定带宽范围为 150kHz 至 30MHz;对于 CISPR 25 标准,则规定频率范围为更宽的 150kHz 至 108MHz)时,测量的是每条电源线上 50Ω LISN 电阻两端相对于接地 GND 的总噪声电压或“非对称”干扰 [1]

图 3 显示了 EMI 噪声的产生、传播和测量模型 [1]。噪声源电压用 VN 表示,噪声源和传播路径阻抗分别用 ZS 和 ZP 表示。LISN 和 EMI 接收器的高频等效电路仅为两个 50Ω 电阻。图 3 还显示了相应的 DM 和 CM 噪声电压 VDM 和 VCM,它们由两条电源线的总噪声电压 V1 和 V2 计算得出。DM(或“对称”)电压分量定义为 V1 和 V2 矢量差的一半;而 CM(或“非对称”)电压分量定义为 V1 和 V2 矢量和的一半 [2]。请注意,本文提供的 VDM 通用定义与 CISPR 16 标准规定的值相比,可能存在 6dB 的偏差。

image.png

图 3 传导 EMI 发射模型,其中显示了噪声源电压、噪声传播路径和 LISN 等效电路

CM 噪声源阻抗主要是容性阻抗,并且 ZCM 随频率的增大而减小。而 DM 噪声源阻抗通常为阻性和感性阻抗,并且 ZDM 随频率的增大而增大。

要降低传导噪声水平,确保噪声源本身产生较少的噪声是其中的一种方法。对于噪声传播路径,可以通过滤波或其他方法调整阻抗,从而减小相应的电流。例如,要降低降压或升压转换器中的 CM 噪声,需要降低 SW 节点 dv/dt(噪声源)、通过减小接地寄生电容来增大阻抗、或者使用 Y 电容和/或 CM 扼流器进行滤波。本系列文章的第 4 部分将详细介绍 EMI 抑制技术分类。

 

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