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(多图) 功率转换拓朴架构及EMI噪声

Vicor公司 Philip Lioio: EDN China?? 2009年12月04日 ?? 收藏0

  所有的电子设备都是以直流电供电的,通常是经过 AC 整流。再由 DC-DC 转换器转压,转到负载所需的电压。目前,大部份的 DC-DC 转换器己普遍以高频率的开关技术为基础,有效的高频率开关一直被视为模块功率密度大小,性能表现优劣的关键。开关频率愈高,所用的磁性元件和电容愈小,反应时间更快,噪声更低,所需滤波器较细小。

  但是所有的 DC-DC 转换器还是会产生电磁干扰 (EMI) 或者噪声的,而所产生的噪声水平,不论是共模的,差模的或者是辐射噪声,会因为不同的生产厂,或者是采用不同的转换技术而产生很大的差异,这些差别的根源在于这些噪声是如何产生的。

  虽然没有一种功率转换拓朴结构是完美的,但有些拓朴结构是特别配合某些应用要求的。市面上有上百种的DC-DC 转换器,各有不同的设计和拓扑结构,大体可以归为两大类:脉宽调制式 (PWM) 和准谐振零电流开关 (ZCS) 两种。

  要完全了解数量这么多的拓朴结构是非常艰巨的任务,本文只着重分析两种主流拓朴结构的噪声表现。具体比较固定频率 DC-DC 转换器 (PWM) 和变频准谐振 DC-DC 转换器 (零电流 ZCS) 的表现。

  脉宽调制式与准谐振零电流开关的比较??

  脉宽调制式 (PWM) 模块的功率密度是有局限的,因为它需要在工作效率和开关频率间作取舍。问题的核心在于“开关损耗”。开关元件在瞬时导通和关断时,使电感电流产生不连续性的状态,因而产生热量。由开关损耗引发的功耗,会直接随着脉宽调制式模块的开关频率增高而增大,直至它变为一个显着的耗损成因,达到了那一点,效率会迅速减低,开关元件所承受的热及电能应力变得无法处理。这种非零电流开关模块具有开关损耗的属性,变为开关频率障碍,限制了它提升功率密度的能力。

  准谐振的零电流开关转换器采用正向开关拓朴,只在电流经过零的时侯才开关,克服了开关频率障碍。每个开关周期传送等量的“能量包”到模块的输出端。每个“开” 与“关”都在零电流的瞬间进行,形成一种近于没有功耗的开关。零电流开关转换器的工作频率可超出 1 MHz。它避免了传统拓朴结构那不连续性电流的特性;实现“无功耗” 的把能量由输入传输至输出,大大减低传导和辐射噪声。

  由 PWM 和 ZCS 转换器衍生出来的噪声是有很大分别的。图1 比较 PWM 和 ZCS 转换器的传导噪声,很明显的,ZCS 转换器的波形是一个正弦波而不是方波。此外,由于电流的波形没有几乎垂直上升和下降的尖削部份, 而且谐波含量较低,减少寄生元件的应力,因而噪声更低。相反,PWM 的输入电压是以固定频率开关 (一般是数百 kHz),做成一连串的脉冲,利用调节脉冲的宽度来为负载提供正确的输出电压及足够的电流。满载时,电流的波形好像是一个方波 (图2)。

带共模扼流圈的零电流开关转换器 (图左) 和带滤波器的脉宽调制转换器 (图右) 的传导输入噪声频谱

图1 – 带共模扼流圈的零电流开关转换器 (图左) 和带滤波器的脉宽调制转换器 (图右) 的传导输入噪声频谱。

零电流开关和脉宽调制式架构的电流波形

图2 - 零电流开关和脉宽调制式架构的电流波形

  很多电源工程师都以为,滤掉固定频率转换器所产生的噪声比滤掉变频转换器的来得容易,事实刚好相反 1。 这只是“固定频率”这名词带来的错觉。基本上是个“误称”。因为两个架构都同时拥有大体固定频率的元素,和因应操作点而改变的不固定频率元素。

  转换器规格: 48 V 输入,5 V 输出,30A。  

  图2 比较电流流到主开关的波型图。准谐振转换器的频宽或导通时间 T1 是固定的,而开关频率 T2 是可变的。相反, PWM 转换器的开关周期是固定的,而频宽是可变的。图3 显示这两个拓扑产生的噪声图谱。

PWM (上图)和零电流开关(下图)的电流波形和频谱

图3 – PWM (上图)和零电流开关(下图)的电流波形和频谱。注:波形并不按比例绘制。

  然而,在变频的设计,因为它基本上是一个半波整流的正弦波,没有涉及电流波型的上升及下降陡边的高频份量。因此,变频转换器的波型频谱幅度较低,带宽也较窄。

  在 PWM 变换器,大部分能量是在固定频率及其奇数倍数﹝谐波﹞上的。一个100 kHz 的 PWM 变换器,它的传导噪声主要在 100 kHz,有一些在 300 和 500 kHz。因为它是方波,在10 – 30 MHz 间有明显的谐波,也就是高的 di/dt 激发了转换器内的寄生元件。需预备足够的输入滤波器来滤掉满载时的 100 kHz 噪声。这些转换器的波形,频谱噪声水平较高,谐波分布范围较广。

  显然,如要尽量减少DC-DC转换器的噪声,第一个步骤应是选择一个合适的拓扑架构,如固有共模噪声较低的零电流开关。此外,在噪声敏感的应用,应避免使用具以下特性的转换器。如把控制器件安装在铜板,这样会使把初级控制元件和次级控制元件间,透过铜板产生寄生电容,因而形成更高幅度的共模噪声。


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功率转换? 拓朴架构? EMI?

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