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功率转换拓朴架构及EMI噪声
发布时间 2012-04-17 来源 -

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)。

 

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。

  无源 EMI 滤波器

  虽然,电源模块通常会带内部输入和输出滤波器;但如果要满足系统要求,或需要符合认可的规格如 FCC,以及欧盟有关电源系统传导到电网的噪声标准,便需要外加滤波器。许多电源工程师会自己动手设计方案,大部份 DC-DC 转换器制造商会提供详细的应用笔记,并派出具丰富知识和经验应用工程师协助解决这些问题。此外,还有一些 DC-DC 转换器的供应商,提供交流前端和 EMI 滤波器模块。使用这些过滤器模块不仅节省时间,而且质量,性能比较有保证。这些 EMI 滤波器是专为配合供应商的转换器模块而设计的,只要布线妥当,把转换器模块和滤波器配套使用, 保证能满足特定的 EMC 规格。

  在美国和欧洲,传导噪声是按 FCC 和 VDE 标准A 级和B 级限制严格规管的。在美国,工业设备的传导噪声应满足 FCC 标准 A 级要求,家用电器的传导噪声应满足更严格的 FCC B 级要求。在欧洲,所有国家均要求工业设备和家用电器符合 EN55022 (或 VDE) B 级标准。

  现时多数的开关电源的开关频率在 100 kHz 至 1 MHz 之间。通常反射到电网之传导噪声频谱上的主要尖峰来自开关频率之基频及其谐波分量。

  这些传导噪声标准,如 EN55011 和 EN55022,规范了从转换器反射到电网的传导噪声在 150 KHz 至 30 MHz 频带间不能超过规定之上限。要符合这些要求,所有传导噪声,即频谱上的尖点部份,必须低于规定的限度。

  这些 EMI 滤波器通常是造成一个器件,(配置与图4 相似) 。它是一个带穿孔引脚的器件,内配共模扼流圈和 Y-电容器 (线到地),另加两个电感器和一个 X-电容器(线到线)。由 Z1 提供瞬变保护,这样子的滤波器有足够的衰减能力,可以符合级别 B 的传导噪声限制。

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