【導讀】基于安全性的考慮,汽車行業(yè)對電磁干擾 (EMI)有嚴格的要求,這給工程師帶來了很大的設(shè)計挑戰(zhàn)(見圖 1)。降低 EMI需要對各種 EMI 問題進行建模與分析。本文提供的建模和抑制方法用來降低非隔離式變換器(例如降壓、升壓和升降壓換器)中的 EMI。
圖 1:汽車電子中的傳導和輻射EMI
電力電子系統(tǒng)中的許多組件(例如 MOSFET 和二極管)在高頻開關(guān)期間會產(chǎn)生高 dv/dt 節(jié)點和高 dI/dt 環(huán)路。這些高 dv/dt 和 dI/dt 值就是EMI產(chǎn)生的根本原因。EMI分為傳導EMI 噪聲和輻射EMI噪聲。傳導 EMI是由導體之間的物理接觸引起的,而輻射EMI則由感應引起,即使導體不接觸也會產(chǎn)生。由于兩種EMI 傳播路徑差別很大,所以我們分別討論兩種EMI噪聲。本文將側(cè)重傳導 EMI,而下一篇文章將討論輻射EMI。
傳導EMI
傳導 EMI 分為差模 (DM) 噪聲和共模 (CM)噪聲。相應地,對DM噪聲和CM噪聲應分別建模,以說明它們不同的傳播路徑和抑制機制。我們采用噪聲分離器來獲取測量結(jié)果,同時區(qū)分是DM還是CM導致了大部分的EMI噪聲。
DM噪聲主要在兩線之間流動,而CM電流則以位移電流的形式流向大地。該位移電流經(jīng)過設(shè)備與地之間的電容器,然后流回電網(wǎng)(見圖 2)。
圖2: 傳導EMI中的CM噪聲和DM噪聲
EMI建模的第一步是將開關(guān)用作等效的電流或電壓源,之后電流和電壓在整個電路中保持恒定。然后,使用疊加定理來詳細分析每個源的影響。圖 3 顯示了如何簡化降壓變換器的 DM模型。當然,也可能有其他非隔離式變換器的模型。
圖 3:降壓變換器的DM噪聲模型和典型開關(guān)波形
圖 4 顯示了如何簡化降壓變換器的CM模型。
圖 4:降壓變換器的CM噪聲模型和典型開關(guān)波形
謹慎選擇輸入電容器和輸入濾波器可以降低降壓變換器中的DM噪聲;而利用濾波器最小化開關(guān)節(jié)點的面積可以降低CM噪聲。
圖 5 顯示了分離并測量降壓變換器DM噪聲和CM噪聲的結(jié)果。在本例中,DM噪聲是EMI的主要成因。
圖 5:降壓變換器的整體DM和CM噪聲測量
增加DM 濾波器可以降低 EMI,圖6所示的噪聲測量結(jié)果展現(xiàn)了良好的EMI 優(yōu)化成果。該原理也可擴展至其他DM噪聲過多的變換器。
圖6: 降壓變換器的噪聲消減
EMI性能優(yōu)化的汽車降壓變換器
MPS的MPQ4423C-AEC1是一款優(yōu)化了傳導EMI性能的同步整流降壓開關(guān)模式變換器。它采用側(cè)面鍍錫封裝,集成功率 MOSFET 并采用同步模式操作,以提高輸出電流的效率。
在強制脈寬調(diào)制 (PWM) 模式下工作時,MPQ4423C-AEC1能夠保持較低的傳導EMI輻射(見圖 7)。
圖7: MPQ4423C-AEC1的傳導EMI性能
MPQ8873-AEC1是另一款非常適合汽車應用的4開關(guān)降壓-升壓變換器。MPQ8873-AEC1 具有可配置的參數(shù),包括可調(diào)頻率展頻(FSS),它周期性地抖動開關(guān)頻率 (fSW) 以提升EMI性能。MPQ8873-AEC1還采用專用寄存器來啟用FSS、調(diào)整FSS調(diào)制范圍并設(shè)置 FSS 調(diào)制頻率。圖 8顯示了平均傳導 EMI測量結(jié)果。
圖 8:MPQ8873-AEC1 的傳導 EMI性能
結(jié)論
本文回顧了控制傳導 EMI 噪聲以滿足標準要求的方法,具體包括如何對DM噪聲和CM噪聲分別建模,并針對不同的應用來降低EMI,同時強調(diào)了針對汽車設(shè)備如何控制傳導EMI以實現(xiàn)峰值效率。
下一篇文章 將利用戴維南定理深入探討輻射EMI問題的更多細節(jié),戴維南定理可以實現(xiàn)變換器和天線的建模以控制EMI噪聲。
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