登录
|
注册会员
开启辅助访问
设为首页
收藏本站
扫一扫关注官方微信
论坛
BBS
M币充值
M currency prepaid phone
M币获取
附件中心
搜索
search
全新论坛MCU智学网上线,欢迎访问新论坛!稀缺资源、技术干货、参考设计、原厂资料尽在MCU智学网
MCU资讯论坛
»
论坛
›
单片机论坛
›
单片机应用于方案
›
EMI兼容的汽车开关稳压器设计
更新自动建库工具PCB Footprint Expert 2023.13 Pro / Library Expert 破解版
EMI兼容的汽车开关稳压器设计
[复制链接]
1067
0
ad***
管理员
发表在
电源技术
2014-4-14 08:30:23
|
查看全部
|
阅读模式
本文包含原理图、PCB、源代码、封装库、中英文PDF等资源
您需要
登录
才可以下载或查看,没有帐号?
注册会员
x
不需要完全了解复杂的
EMI
,即可轻松设计EMI兼容的汽车
开关
稳压
器。本文将以没有复杂数学运算的直觉方式,探讨成功实现开关稳压器的基本因素,主要包括:斜率(slew rate)控制、
滤波器
设计、元件选用、配置、噪声扩散及屏蔽。
汽车本身不断变化,驱动汽车的
电子
装置也是如此。其中最显着的莫过于插电式电动汽车(PEV),它们采用
300
V至
40
0V的锂离子
电池
和三相推进马达取代取代燃气罐和内燃机。精密的电池组电量监控、再生制动系统及复杂的传输控制可将电池使用时间优化,使得电池需要充电的频率减少。此外,现今的电动汽车或
其它
种类的汽车都具有许多可提升性能、安全、便利性及舒适感的电子
模块
。许多中档车均配备先进的全球定位系统(
GPS
)、集成
DVD
播放器及高性能音响系统。
伴随这些先进设备而来的,是对更高处理速度的需求。因此,现今的汽车整合了高性能微处理器及
DSP
,使得核心电压下降至1V,并且使
电流
上升5A。使介于6V至40V之间的汽车电池产生如此的电压及电流需要面临许多难题,其中一项是达到电磁兼容性测试(EMC)的严格标准。线性稳压器曾经是将汽车电池电压转换为调节的
电源
电压所使用的主要方法,但现在已经不合时宜。更准确地说,线性稳压器使得输出电压降低而导致负载电流增加。开关稳压器则愈来愈受到广泛使用,随之而来的是对于电磁波干扰(EMI)无线射频的忧虑,以及对于安全性系统的重视。
用简单方法实现
开关电源
EMC
本文的目的在于不需要完全了解复杂的EMI,即可尝试设计EMI兼容的开关稳压器。事实上,与EMI有关的所有问题都来源于未完全达到开关稳压器内电压与电流变化的速率,以及与电路板信号线上或元件内寄生电路元件的互动方式。以通过额定14V且以5A产生5V电压的汽车电池产生动力的200kHz降压型开关稳压器为例,若要达到可观的效率,开关节点的电压斜率应该只占导通时间的一小段,例如1/
12
以下。连续导电模式(CCM)下运作的降压转换器导通时间为D/fsw,其中D是负载周期或脉宽调制(PWM)信号开启时间百分比与整段时间的比值(
ton
及toff),而fsw是转换器的开关频率。
对于CCM中运作的降压转换器,
电感
电流一直是非零的正电流。在这种情况下,负载周期为D=Vout/Vin,在本例中为38%(5V/14V)。使用200kHz的开关频率时,我们很快计算出导通时间为1.8&
mu
;s。为支持此频率,控制开关的上升/下降时间必须小于90纳秒。这使得我们注意到第一个减少噪声的方法,也就是斜率控制。您可能还无法理解,但是此时我们非常了解与PWM切换节点有关的谐波,也就是开关稳压器的控制波形。如果将此波形以图1(a)中所示的梯形表示,波形的谐波便能够以图1(b)中的内容表示,这表明了EMI背后的驱动因素。这一傅里叶包络定义了可通过傅里叶分析或计算梯形波形导通时间及上升时间取得的谐波振幅。
观察频域时,可看出相等上升和下降时间的梯形波形是由不同的谐波信号所组成,这些信号存在于周期信号基本频率的整数倍数。值得注意的是,各谐波的能量会在1/(π×τ)的第一个转折点(导通时间)减至20
dB
/
dec
,并且在1/(π×
tr
)的第二个转折点减至40dB/dec。因此,限制开关节点波形的斜率会对减少发射
量具
有重大影响。通过这项探讨,应该能够清楚显示降低运作频率也有利于减少发射量。
AM射频频段考量
汽车EMI规范的其中一个难点与AM频段有关。该频段从500kHz开始,一直持续到2MHz,对于开关稳压器而言非常适合。由于梯形波形的最高能量元件是基本元件(假设没有任何电路板谐振),因此可在AM频段上下运作。
负载周期重要吗?
另一项重要因素是,如果负载周期刚好是50%,复杂梯形切换波形的所有能量会以奇次谐波(1、3、5、7……)呈现。因此,以50%负载周期运作是最坏的情况。在50%上下的负载周期,即使出现谐波,也会发生自然的EMI扩散。
EMI及EMC标准
您可以将EMI视为不适宜的能量,而这个能量不需要太多就有可能违反发射标准。事实上,EMI是相当低的能量效应。例如,在1MHz的状况下,只要20nW的EMI便会违反FCC对于传导发射的规范。传导发射是以频谱分析仪监测输入来源高频率元件而测得。线路阻抗稳定网路(LISN)可作为开关稳压器的低阻抗,以及频谱分析仪线路噪声的高通滤波器。因此,开关稳压器的输入是下一个需要注意之处。
输入滤波器的考量
造成汽车出现EMI的其中一个主要因素是开关稳压器在电源排线上传入AC电流。这些变化的电流本身具有辐射发射及传导发射的各种波形。例如,在非隔离式升压转换器中,图2(a)所示的输入
电容
(C2)及升压电感(L1)形成隔离线路发射的单向EMI滤波器。不过,输入电流具有该波形傅里叶扩展的AC三角波形,如图2(b)的绿色信号线所示。
只要加入L2及C2,波形便会变成正弦曲线,而能量会重新调整为相当低的高频率峰值。不过,如果不能正确设计输入滤波器,则会将噪声放大而使得控制回路不稳定。因此,了解滤波器设计的概念,对于优化滤波器回波及成本相当重要。使用SPICE的AC分析是有效了解滤波器行为的工具。
不论是设计降压或升压电源,差动模式滤波器或双向电容输入滤波器都相当实用,这些能够避免EMI噪声进入线路以及辐射和/或传导噪声。需要注意的是,与滤波器元件相关的跨绕组终端电容及电容ESR等寄生元件会明显影响谐波的衰减,因此应该谨慎使用。
选用正确的元件
元件选择是设计EMI兼容开关稳压器的关键部分。例如,屏蔽的电感有助于缩小会产生辐射且耦合成为互感及高阻抗电路(例如PWM控制器的输入误差放大器)的漏磁场。
具有软反向或低反向恢复特性的
二极管
,能够将从导通状态变成截止状态的二极管相关的大浪涌电流降至最低。这些峰值电流会与寄生电容产生作用,而在超出
100
MHz的切换节点造成振荡,并且对EMC试验造成不良影响。虽然不在本文的讨论范围内,但还是需要说明的是:不正确选用开关稳压器的回路补偿元件,会使得EMI加剧。如果未正确补偿电源
供应
,输出纹波及不稳定现象会使噪声增加。经过适当补偿的电源供应是达到良好噪声性能的关键。
谨记电流经过的路径
现在需要处理EMI兼容开关稳压器最容易控制的必需层面,也就是电路信号线路径及元件位置。元件位置会在很大程度上影响电路信号线路径。前文曾经说过EMI是不适宜的能量,而且变化的电流及电压会通过寄生电容、互感或空气耦合到敏感电路(例如高阻抗)。因此,对于将来源的发射量降至最低、元件位置及电流路径具有重要的效用。
在一个电源的正确配置中,必须将大电流导体的回路部分缩减至最小。这样做能够将作为
天线
源和发射能量的电感降至最低。其中一个层面是有效放置元件及选用去耦电容。图3显示同步降压转换器的输出
功率
级与滤波器。C3将功率级去耦合,以便在Q2启动时提供低阻抗源。为了将辐射发射量降至最低,必须如图所示连接C3,其中电容的固有阻抗、电路信号线及通过电感的互连均缩减至最小。另外,也需要具有诸如
X7R
等高自振频率的高品质电容电介质。
屏蔽
本文将说明的最后几项技术是噪声屏蔽及噪声扩散,这些可在运用前文讨论的技术之后用来提升噪声容限。如果未达到EMC标准或噪声容限不足,则需要外部屏蔽来转移辐射电场发射量,以免传输到EMC
接收器
天线。
散热器
或磁性核心等表面出现开关电压时,会产生电场。通常通过导电机壳即可屏蔽电场,其中的导电材料可将电场转换为电流,以隔离电场。当然,其中也必须有该电流的路径(一般是接地)。但是,该电流造成的整个传导噪声能量需要用滤波器加以解决。外部磁场屏蔽更具挑战性(成本高),而且在较高频率时的效果不佳。因此,应该谨慎设计相关磁性元件及电路板回路部分。
采用扩散频谱
最后,本文将探讨另一项越来越受到广泛使用的技术,能够将峰值谐波能量散布于较大的频带,以有效降低该能量。该技术被称为展频频率抖动(SSFD),能够通过谐波峰值的降低将噪声信号从窄频变成宽频,以改变噪声频谱。其中必须了解能量频谱的变化,而整个能量则维持不变。最终的结果是噪声水平一般会增加,从而损害高保真系统。图4显示发生的谐波扩散及峰值降低。一般降低的幅度为5至10dB,后续的谐波会增加峰值降低的幅度。
本文小结
您可以花很长的时间了解EMI的复杂度,但是设计EMI兼容的开关稳压器只需要了解应用电路及少数基本电路设计属性及波形分析。不论是设计汽车的开关稳压器,还是设计不使用电池的开关稳压器或复杂的PEV电池充电器,设计EMI兼容的开关稳压器都需要了解Maxwell方程式的概念。幸好对于我们大多数人而言,其中并未涉及偏微分方程式,而只需要注意快速改变电压/电流时出现的磁场及电场,并了解本文中所述的技术即可。
开关稳压器
,
数学
相关帖子
ADP2114应用电路(步降压型开关稳压器)
数学限制器电路
4V至42V输入降压型稳压器
数模转换过程中的频谱失真及其校正方法
固定频率工作的降压稳压器设计
EMI/EMC设计讲座(一)PCB被动组件的隐藏特性解析
直流开关稳压电源的保护技术
谐波的抑制与利用
直流开关稳压电源的保护技术
PLC编程经验
举报
回复
返回列表
*
滑块验证:
高级模式
B
Color
Image
Link
Quote
Code
Smilies
您需要登录后才可以回帖
登录
|
注册会员
本版积分规则
发表回复
回帖后跳转到最后一页
浏览过的版块
原理图论坛
Protel,DXP,Altium论坛
外围器件论坛
51单片机论坛
投诉建议
回复
转播
评分
分享
打开支付宝扫一扫,最高立得1212元红包
搜索
本版
帖子
用户
热搜:
传感器
51串口程序
电子管放大器
夾式電表
夾式電流
Mentor论坛
打印机
版块推荐
百宝箱
My 布拉格
无边框Z9
Z9Max
Z9mini
nubia动态
问题 & 建议
资源分享
爱拍
同城会
牛仔生活
查看论坛所有版块>>
每日签到
论坛任务
摄影技巧
跳蚤市场
互助问答
论坛导读
申请内测
红包中心
每日摇一摇
活动中心
网站地图
官方旗舰店
图文热点
VKL144A TSSOP48 点阵式液晶驱动芯片/低功
产品品牌:永嘉微电/VINKA 产品型号:VKL44A 封装形式:TSSOP48 概述 VKL144是
高抗干扰液晶显示驱动/省电液晶驱动IC/LCD
产品品牌:永嘉微电/VINKA 产品型号:VKL128 封装形式:SSOP44 概述 VKL128是一
VK2C23A/B LQFP64/48LCD驱动控制器/高抗干
产品品牌:永嘉微电/VINKA 产品型号:VK2C23A/B 封装形式:LQFP64/48 概述 VK2C
高抗干扰液晶驱动/点阵式液晶显示IC/VK2C21
产品品牌:永嘉微电/VINKA 产品型号:VK2C21D 封装形式:SOP16 概述 VK2C21D是
I2C通信接口段码液晶驱动芯片VK2C21C SOP20
产品品牌:永嘉微电/VINKA 产品型号:VK2C21C 封装形式:SOP20 概述 VK2C21C是
更多
精华推荐
VKL144A TSSOP48 点阵式液晶驱动芯片/低功
高抗干扰液晶显示驱动/省电液晶驱动IC/LCD
VK2C23A/B LQFP64/48LCD驱动控制器/高抗干
高抗干扰液晶驱动/点阵式液晶显示IC/VK2C21
I2C通信接口段码液晶驱动芯片VK2C21C SOP20
VK2C21B SOP24高抗干扰LCD液晶段码驱动芯片
低成本、高性能、带EEPROM了解一下
工控仪表/水电气表LCD驱动/抗干扰液晶段码
更多
社区学堂
VKL144A TSSOP48 点阵式液晶驱动芯片/
高抗干扰液晶显示驱动/省电液晶驱动IC/
VKL144A TSSOP48 点阵式液晶驱动芯片/低功
产品品牌:永嘉微电/VINKA 产品型号:VKL44A 封装形式:TSSOP48 概述 VKL144是
高抗干扰液晶显示驱动/省电液晶驱动IC/LCD
产品品牌:永嘉微电/VINKA 产品型号:VKL128 封装形式:SSOP44 概述 VKL128是一
VK2C23A/B LQFP64/48LCD驱动控制器/高抗干
产品品牌:永嘉微电/VINKA 产品型号:VK2C23A/B 封装形式:LQFP64/48 概述 VK2C
更多
客服中心
QQ:187196467
服务时间:周一至周日 8:30-20:30
在线客服
客服微博
产品咨询
售后中心
关注我们
关于我们
关于我们
友情链接
联系我们
帮助中心
网友中心
购买须知
支付方式
服务支持
资源下载
售后服务
定制流程
关注我们
官方微博
官方空间
官方微信
QQ:187196467
周一到周日 8:30-22:00 (全年无休)
7 x 24小时在线客服
手机版
Powered by
MCUZX!
X3.4 © 2008-2015
MCU资讯论坛
版权所有
京ICP备18035221号-2
客服QQ: 187196467
技术支持:
MCU资讯论坛
|
网站地图
快速回复
返回顶部
返回列表