DC-DC转换器的电磁兼容技术.doc

dc-dc转换器的电磁兼容技术引言 dc-dc转换器是通信系统的动力之源，已在通信领域中达到广泛应用。由于具有高频率、宽频带和大功率密度，它自身就是一个强大的电磁干扰（emi）源，严重时会导致周围的电子设备功能紊乱，使通信系统传输数据错误、出现异常的停机和报警等，造成不可弥补的后果；同时，dc-dc转换器本身也置身于周围电磁环境中，对周围的电磁干扰也很敏感（ems），如果没有很好的抗电磁干扰能力，它也就不可能正常工作。因此，营造一种良好的电磁兼容（emc）环境，是确保电子设备正常工作的前提，且也成为电子产品设计者的重要考虑因素。 dc-dc转换器emc特点 dc-dc转换器具有体积小、功率密度大、工作频率高等特点，这些特点直接导致电源内部电磁环境复杂，同时也带来了一系列高频emi的问题，产生的干扰对电源本身和周围电子环境带来很大的影响。为满足日趋严格的国际电磁兼容法规，dc-dc转换器的emc设计已经成为电源设计中的首要问题之一。 dc-dc转换器的emc问题主要有如下几个特点： dc-dc转换器作为工作于开关状态的能量转换装置，产生的干扰强度较大；干扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的铝基板和高频变压器；由于dc-dc转换器与其它电子电路相连紧凑，产生的emi很容易造成不良影响。 dc-dc转换器的共模干扰信号(cm)和差模干扰信号(dm)的分布图如图1所示。这是分析干扰信号特性十分有用的列线图。如果设备在某段频率范围内有传导干扰电平超标，查阅该图可得出是哪一种类型的传导干扰信号占主导地位，从而指导改变emi滤波器的网络结构及参数等相应措施加以解决。 图1 dc-dc转换器的共模干扰信号和差模干扰信号分布图 dc-dc转换器的emc设计 屏蔽和接地 屏蔽能有效地抑制通过空间传播的电磁干扰。采用屏蔽的目的有两个：一是限制内部的辐射电磁能越过某一区域；二是防止外来的辐射进入某一区域。屏蔽是解决dc-dc转换器emc问题的手段之一，目的是切断电磁波的传播途径，主要是做好dc-dc转换器的机壳密封性屏蔽。接地的要点是电位相同、内部电路不互相干扰、抵御外来干扰。尽量减少导线电感引起的阻抗，增加地环路的阻抗，减少地环路的干扰。 软开关技术 应用软开关技术，实现零电压开关与零电流开关运行可以大大减小功率器件的di/dt和dv/dt。即功率管能在零电压下导通和零电流下关断，若同时快速二极管也采用软关断，则可以大幅度降低dc-dc 转换器的emi水平。 优化缓冲电路 在开关管的驱动电路中添加缓冲电路也可以有效减少电路中的di/dt和dv/dt，从而减少emi干扰源。缓冲电路延缓功率开关器件的导通、关断过程，从而降低dc-dc 转换器的emi水平。对于相同型号的开关管，在其他条件相同只是驱动缓冲电路不同的情况下由试验来决定。 例如中转换器a采用无驱动缓冲电阻的驱动电路；转换器b则采用了150驱动缓冲电阻反并联二极管的驱动电路。通常开关管关断的dv/dt要比开通时小很多，对dc-dc 转换器的emi水平影响较小。反向并联有二极管，这样开通速度可以减慢，而关断速度不受影响，可以最大限度地保证原有的整机效率不受影响。 实验证明转换器b中开关管开通速度要比转换器a慢很多，转换器b开关管开通时vds的 dv/dt 为2v/ns左右，而转换器a开关管开通时vds的dv/dt为5v/ns左右，要大很多。可见增加适当的驱动电阻并优化驱动电路，可以显著的减小电路中的di/dt和dv/dt，降低电源dc-dc 转换器的emi水平。 emi辐射发射试验进一步验证开关管驱动缓冲电阻大小对整个dc-dc转换器emi水平的影响。图2为转换器b采用非夹绕变压器时，当驱动电阻取值为1和47（反向并联有二极管）时的辐射干扰。可以看出增大驱动电阻后，30mhz和接近200mhz的频点各有3_5db的明显改善。 驱动电阻为1（水平方向） 驱动电阻为47（水平方向） 图2 驱动电阻对辐射发射的影响 因此得出结论是，单靠提高开关速度来提高dc-dc转换器效率是不可取的。于是，如何选择合适的驱动电路参数、不断地优化驱动电路的设计，在提高dc-dc转换器的emc性能的同时又保证总效率等其他参数指标不受到大的影响，是近年来发展的一个新方向。例如，在驱动电路中保留驱动电阻的同时加入推挽电路以代替二极管，这样就可以方便地分别调节控制开和关的速度，再权衡emc性能和总效率指标的关系，以达到最理想的效果。如图3所示。 图3 有驱动缓冲电阻、开关速度均可以控制的驱动电路 滤波技术 dc-dc转换器的emi滤波器是由电感、电容等构成的无源双向多端口网络。实际上它起两个低通滤波器的作用，一个衰减共模干扰，另一个衰减差模干扰。它能在阻带（通常大于10khz）范围内衰减射频能量而让工频无衰减或很少衰减地通过。emi滤波器是dc-dc转换器设计工程师控制传导电磁干扰和辐射电磁干扰的首选工具。 滤波器对emi信号的损耗叫插入损耗。显然，测量滤波器的插入损耗曲-频率线，可检验它对emi的滤波效果。 dc-dc转换器的emc滤波电路应该满足以下设计原则： 双向滤波。 dc-dc转换器的emi滤波器实质上是一种双向低通滤波器，既要抑制dc-dc转换器产生的从转换器传入电源（或电网）的emi信号，防止它污染电磁环境、危害其他设备。又要抑制或消除电源（或电网）存在的从电源（或电网）传入转换器的emi信号，保护dc-dc转换器正常工作； 阻抗失配。 源内阻是高阻(低阻)的，则滤波器输入阻抗就应该是低阻(高阻)的；负载是高阻(低阻)的，则滤波器输出阻抗就应该是低阻(高阻)的；这里的阻抗失配是相对要抑制的干扰频率而言，对正常工作的信号频率应该阻抗匹配。 cm和dm同时抑制。 由于dc-dc转换器的工作频率基本都在几百khz，根据以往各型号产品的emc检测试验经验，一般情况下dc-dc转换器的emi超标频段都会覆盖0.1_1mhz频段的一部分或全部范围。根据图1所示的分布原理，我们通常要采取有重点地对cm和dm同时抑制的原则。 印制电路板的emc设计 由于pcb更改与相应的传导、辐射骚扰的测试较为复杂，且在时间和成本上也存在困难，因此进行专门的pcb对emc影响的试验较为困难，这里只能根据一般原理以及多年从事电源设计所积累的经验给出dc-dc转换器pcb设计时需要注意的地方（主要针对降低dc-dc转换器对外的emi）。 设计pcb时首先考虑好布局，特别是变压器和输出滤波电感的合理放置。强脉冲信号线（dv/dt大）的走线要尽量短，它们是典型的发射天线；导线不要突然拐角。 合理放置原边开关管、输入滤波电容、滤波电感，使得滤波电容、变压器原边绕组、开关管构成的回路面积尽量减小，dc-dc转换器中专门有完整地层，其余信号线、功率线均在其它层上走线，使环路面积最小；合理摆放副边整流滤波电路。 开关管和整流管上如有较强高频尖刺，应当就近布置吸收电路。 注意控制电路和功率电路的单点接地，同时在靠近脉冲电路负载的部位如pwm芯片vcc引脚添加去耦电容。 所有的功率器件，当与散热器绝缘连接时，其管芯均与散热器间存在分布电容，适当的分离不同级间的散热器连接方式，可以有效的减小两级电路间的容性耦合，减小电磁干扰，多层板式结构优于铝基板式结构就是这个原因。 实践证明，上述印制电路板emc设计，对开关dc-dc转换器的emc性能有较大的影响。在印制板设计阶段，工程技术人员由于缺乏有效的手段，往往只能采用试探方法，一旦开关dc-dc转换器不能通过有关emc标准，就需要重新设计印制板。往往为此付出沉重的代价。 结语 本文对dc-dc转换器的emc设计进行了简单的归纳和分析，从五个方面讨论了dc-dc转换器的emc设计问题。dc-dc转换器emc设计的关键是要弄清楚转换器中emi产生的机理，有针对性地进行抑制和消除。电荷泵工作原理电荷泵电压反转器是一种dc/dc变换器，它将输入的正电压转换成相应的负电压，即vout= -vin。另外，它也可以把输出电压转换成近两倍的输入电压，即vout2vin。由于它是利用电容的充电、放电实现电荷转移的原理构成，所以这种电压反转器电路也称为电荷泵变换器（charge pump converter）。电荷泵的应用电荷泵转换器常用于倍压或反压型dc-dc 转换。电荷泵电路采用电容作为储能和传递能量的中介，随着半导体工艺的进步，新型电荷泵电路的开关频率可达1mhz。电荷泵有倍压型和反压型两种基本电路形式。电荷泵电路主要用于电压反转器，即输入正电压，输出为负电压，电子产品中，往往需要正负电源或几种不同电压供电，对电池供电的便携式产品来说，增加电池数量，必然影响产品的体积及重量。采用电压反转式电路可以在便携式产品中省去一组电池。由于工作频率采用23mhz，因此电容容量较小，可采用多层陶瓷电容（损耗小、esr 低），不仅提高效率及降低噪声，并且减小电源的空间。虽然有一些dc/dc 变换器除可以组成升压、降压电路外也可以组成电压反转电路，但电荷泵电压反转器仅需外接两个电容，电路最简单，尺寸小，并且转换效率高、耗电少，所以它获得了极其广泛的应用。目前不少集成电路采用单电源工作，简化了电源，但仍有不少电路需要正负电源才能工作。例如，d/a 变换器电路、a/d 变换器电路、v/f或f/v 变换电路、运算放大器电路、电压比较器电路等等。自intersil公司开发出icl7660电压反转器ic后，用它来获得负电源十分简单，90 年代后又开发出带稳压的电压反转电路，使负电源性能更为完善。对采用电池供电的便携式电子产品来说，采用电荷泵变换器来获得负电源或倍压电源，不仅仅减少电池的数量、减少产品的体积、重量，并且在减少能耗（延长电池寿命）方面起到极大的作用。现在的电荷泵可以输出高达250ma的电流，效率达到75%(平均值)。电荷泵大多应用在需要电池的系统，如蜂窝式电话、寻呼机、蓝牙系统和便携式电子设备。 便携式电子产品发展神速，对电荷泵变换器提出不同的要求，各半导体器件公司为满足不同的要求开发出一系列新产品，本文将作一个概况介绍。电荷泵的分类电荷泵分类电荷泵可分为： 开关式调整器升压泵，如图1(a)所示。 无调整电容式电荷泵，如图1(b)所示。 可调整电容式电荷泵，如图1(c)所示。 图1 电荷泵的种类电荷泵工作过程 3 种电荷泵的工作过程均为：首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量，而电容式电荷泵采用电容器来贮存能量。电荷泵的结构电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来贮存能量。电荷泵是无须电感的，但需要外部电容器。由于工作于较高的频率，因此可使用小型陶瓷电容(1mf)，使空间占用小，使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供2 倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的esr(等效串联电阻)和内部开关晶体管的rds(on)。电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射emi可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除。它的输出电压是工厂生产精密预置的,调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计。从电容式电荷泵内部结构来看,如图2 所示它实际上是一个片上系统。图2 电容式电荷泵内部结构电荷泵工作原理 电荷泵变换器的基本工作原理如图3所示。它由振荡器、反相器及四个模拟开关组成，外接两个电容c1、c2 构成电荷泵电压反转电路。振荡器输出的脉冲直接控制模拟开关s1及s2；此脉冲经反相器反相后控制s3及s4。当s1、s2 闭合时，s3、s4 断开；s3、s4 闭合时，s1、s2 断开。当s1、s2 闭合、s3、s4 断开时，输入的正电压v+向c1 充电（上正下负），c1 上的电压为v+；当s3、s4闭合、s1、s2断开时，c1向c2放电（上正下负），c2上充的电压为-vin，即vout=-vin。当振荡器以较高的频率不断控制s1、s2 及s3、s4 的闭合及断开时，输出端可输出变换后的负电压（电压转换率可达99%左右）。由图3 可知，电荷泵电压反转器并不稳压，即有负载电流时，输出电压将有变化。输出电流与输出电压的变化曲线（输出特性）称为输出特性曲线，其特点是输出电流越大，输出电压变化越大。一般以输出电阻ro来表示输出电流与输出电压的关系。若输出电流从零增加到io时，输出电压变化为v，则输出电阻ro 为：ro = v/io 输出电阻ro 越小，输出电压变化越小，输出特性越好。如何选择电荷泵1、效率优先，兼顾尺寸 如果需要兼顾效率和占用的 pcb 面积大小时，可考虑选用电荷泵。例如电池供电的应用中，效率的提高将直接转变为工作时间的有效延长。通常电荷泵可实现 90% 的峰值效率，更重要的是外围只需少数几个电容器，而不需要功率电感器、续流二极管及 mosfet。这一点对于降低自身功耗，减少尺寸、bom 材料清单和成本等至关重要。2、输出电流的局限性 电荷泵转换器所能达到的输出负载电流一般低于 300ma，输出电压低于 6v。多用于体积受限、效率要求较高，且具有低成本的场合。换言之，对于 300ma 以下的输出电流和 90% 左右的转换效率，无电感型电荷泵 dc/dc 转换器可视为一种成本经济且空间利用率较高的方式。然而，如果要求输出负载电流、输出电压较大，那么应使用电感开关转换器，同步整流等 dc/dc 转换拓扑。3、较低的输出纹波和噪声 大多数的电荷泵转换器通过使用一对集成电荷泵环路，工作在相位差为 180 度的情形，这样的好处是最大限度地降低输出电压纹波，从而有效避免因在输出端增加滤波处理而导致的成本增加。而且，与具有相同输出电流的等效电感开关转换器相比，电荷泵产生的噪声更低些。对于 rf 或其它低噪声应用，这一点使其无疑更具竞争优势。电荷泵选用要点 作为一个设计工程师选用电荷泵时必然会考虑以下几个要素： 转换效率要高无调整电容式电荷泵 90%可调整电容式电荷泵 85%开关式调整器 83% 静态电流要小，可以更省电； 输入电压要低，尽可能利用电池的潜能； 噪音要小，对手机的整体电路无干扰； 功能集成度要高，提高单位面积的使用效率，使手机设计更小巧； 足够的输出调整能力，电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫； 封装尺寸小是手持产品的普遍要求； 安装成本低，包括周边电路占pcb 板面积小，走线少而简单； 具有关闭控制端，可在长时间待机状态下关闭电荷泵，使供电电流消耗近乎为0。 新型电荷泵变换器的特点 80 年代末90 年代初各半导体器件厂生产的电荷泵变换器是以icl7660为基础开发出一些改进型产品，如maxim 公司的max1044、telcom 公司的tc1044s、tc7660 和ltc 公司的ltc1044/7660等。这些改进型器件功能与icl7660相同，性能上有改进，管脚排列与icl7660完全相同，可以互换。 这一类器件的缺点是：输出电流小；输出电阻大；振荡器工作频率低，使外接电容容量大；静态电流大。 90 年代以后，随着半导体工艺技术的进步与便携式电子产品的迅猛发展，各半导体器件公司开发出各种新型电荷泵变换器，它们在器件封装、功能和性能方面都有较大改进，并开发出一些专用的电荷泵变换器。它们的特点可归纳为：1. 提高输出电流及降低输出电阻 早期产品icl7660在输出40ma时，使-5v 输出电压降为-3v（相差2v），而新型max660输出电流可达100ma，其输出电阻ro仅为6.5，max660在输出40ma时，-5v输出电压为-4.74v（相差仅0.26v），即输出特性有较大的提高。max682 的输出电流可达250ma，并且在器件内部增加了稳压电路，即使在250ma 输出时，其输出电压变化也甚小。这种带稳压的产品还有ad 公司的adm8660、lt 公司的lt1054 等。2. 减小功耗 为了延长电池的寿命或两次充电之间的间隔，要尽可能减小器件的静态电流。近年来，开发出一些微功耗的新产品。icl7660 的静态电流典型值为170a，新产品tcm828的静态电流典型值为50a，max1673 的静态电流典型值仅为35a。另外，为更进一步减小电路的功耗，已开发出能关闭负电源的功能，使器件耗电降到1a 以下，另外关闭负电源后使部分电路不工作而进一步达到减少功耗的目的。例如，max662a、aic1841 两器件都有关闭功能，在关闭状态时耗电 1a，几乎可忽略不计。这一类器件还有tc1121、tc1219、adm660 及adm8828等。3. 扩大输入电压范围 icl7660电荷泵电路的输入电压范围为1.510v，为了满足部分电路对更高负压的需要，已开发出输入电压可达18及20v的新产品，即可转换成-18 或-20v的负电压。例如，tc962、tc7662a 的输出电压范围为318v，icl7662、si7661 的输入电压可达20v。4. 减少占印板的面积 减少电荷泵变换器占印板面积有两种措施：采用贴片或小尺寸封装ic，新产品采用so封装、max封装及开发出尺寸更小的sot-23封装；其次是减小外接电容的容量。输出电流一定时，电荷泵变换器的外接电容的容量与振荡器工作频率有关：工作频率越高，电容容量越小。工作频率在几khz到几十khz时，往往需要外接10f的泵电容；新型