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    功率轉換拓樸架構及EMI噪聲
    發布時間 2012-04-17 來源 -

    雖然沒有一種功率轉換拓樸結構是完美的,但有些拓樸結構是特別配合某些應用要求的。市面上有上百種的DC-DC 轉換器,各有不同的設計和拓撲結構,大體可以歸為兩大類:脈寬調制式 (PWM) 和準諧振零電流開關 (ZCS) 兩種。

      要完全了解數量這么多的拓樸結構是非常艱巨的任務,本文只著重分析兩種主流拓樸結構的噪聲表現。具體比較固定頻率 DC-DC 轉換器 (PWM) 和變頻準諧振 DC-DC 轉換器 (零電流 ZCS) 的表現。

      脈寬調制式與準諧振零電流開關的比較

      脈寬調制式 (PWM) 模塊的功率密度是有局限的,因為它需要在工作效率和開關頻率間作取舍。問題的核心在于“開關損耗”。開關元件在瞬時導通和關斷時,使電感電流產生不連續性的狀態,因而產生熱量。由開關損耗引發的功耗,會直接隨著脈寬調制式模塊的開關頻率增高而增大,直至它變為一個顯著的耗損成因,達到了那一點,效率會迅速減低,開關元件所承受的熱及電能應力變得無法處理。這種非零電流開關模塊具有開關損耗的屬性,變為開關頻率障礙,限制了它提升功率密度的能力。

      準諧振的零電流開關轉換器采用正向開關拓樸,只在電流經過零的時侯才開關,克服了開關頻率障礙。每個開關周期傳送等量的“能量包”到模塊的輸出端。每個“開” 與“關”都在零電流的瞬間進行,形成一種近于沒有功耗的開關。零電流開關轉換器的工作頻率可超出 1 MHz。它避免了傳統拓樸結構那不連續性電流的特性;實現“無功耗” 的把能量由輸入傳輸至輸出,大大減低傳導和輻射噪聲。

      由 PWM 和 ZCS 轉換器衍生出來的噪聲是有很大分別的。圖1 比較 PWM 和 ZCS 轉換器的傳導噪聲,很明顯的,ZCS 轉換器的波形是一個正弦波而不是方波。此外,由于電流的波形沒有幾乎垂直上升和下降的尖削部份, 而且諧波含量較低,減少寄生元件的應力,因而噪聲更低。相反,PWM 的輸入電壓是以固定頻率開關 (一般是數百 kHz),做成一連串的脈沖,利用調節脈沖的寬度來為負載提供正確的輸出電壓及足夠的電流。滿載時,電流的波形好像是一個方波 (圖2)。

     

    然而,在變頻的設計,因為它基本上是一個半波整流的正弦波,沒有涉及電流波型的上升及下降陡邊的高頻份量。因此,變頻轉換器的波型頻譜幅度較低,帶寬也較窄。

      在 PWM 變換器,大部分能量是在固定頻率及其奇數倍數﹝諧波﹞上的。一個100 kHz 的 PWM 變換器,它的傳導噪聲主要在 100 kHz,有一些在 300 和 500 kHz。因為它是方波,在10 – 30 MHz 間有明顯的諧波,也就是高的 di/dt 激發了轉換器內的寄生元件。需預備足夠的輸入濾波器來濾掉滿載時的 100 kHz 噪聲。這些轉換器的波形,頻譜噪聲水平較高,諧波分布范圍較廣。

      顯然,如要盡量減少DC-DC轉換器的噪聲,第一個步驟應是選擇一個合適的拓撲架構,如固有共模噪聲較低的零電流開關。此外,在噪聲敏感的應用,應避免使用具以下特性的轉換器。如把控制器件安裝在銅板,這樣會使把初級控制元件和次級控制元件間,透過銅板產生寄生電容,因而形成更高幅度的共模噪聲。

      無源 EMI 濾波器

      雖然,電源模塊通常會帶內部輸入和輸出濾波器;但如果要滿足系統要求,或需要符合認可的規格如 FCC,以及歐盟有關電源系統傳導到電網的噪聲標準,便需要外加濾波器。許多電源工程師會自己動手設計方案,大部份 DC-DC 轉換器制造商會提供詳細的應用筆記,并派出具豐富知識和經驗應用工程師協助解決這些問題。此外,還有一些 DC-DC 轉換器的供應商,提供交流前端和 EMI 濾波器模塊。使用這些過濾器模塊不僅節省時間,而且質量,性能比較有保證。這些 EMI 濾波器是專為配合供應商的轉換器模塊而設計的,只要布線妥當,把轉換器模塊和濾波器配套使用, 保證能滿足特定的 EMC 規格。

      在美國和歐洲,傳導噪聲是按 FCC 和 VDE 標準A 級和B 級限制嚴格規管的。在美國,工業設備的傳導噪聲應滿足 FCC 標準 A 級要求,家用電器的傳導噪聲應滿足更嚴格的 FCC B 級要求。在歐洲,所有國家均要求工業設備和家用電器符合 EN55022 (或 VDE) B 級標準。

      現時多數的開關電源的開關頻率在 100 kHz 至 1 MHz 之間。通常反射到電網之傳導噪聲頻譜上的主要尖峰來自開關頻率之基頻及其諧波分量。

      這些傳導噪聲標準,如 EN55011 和 EN55022,規范了從轉換器反射到電網的傳導噪聲在 150 KHz 至 30 MHz 頻帶間不能超過規定之上限。要符合這些要求,所有傳導噪聲,即頻譜上的尖點部份,必須低于規定的限度。

      這些 EMI 濾波器通常是造成一個器件,(配置與圖4 相似) 。它是一個帶穿孔引腳的器件,內配共模扼流圈和 Y-電容器 (線到地),另加兩個電感器和一個 X-電容器(線到線)。由 Z1 提供瞬變保護,這樣子的濾波器有足夠的衰減能力,可以符合級別 B 的傳導噪聲限制。

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