降低面向 48V 汽车应用的降压转换器中的传导 EMI
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摘要
本应用手册讨论了降压转换器中的一些 EMI（电磁干扰）挑战，特别是在电源轨电压高达 48V 直流的汽车系统中。降压转换器具有较高的电压 (dv/dt) 和电流 (di/dt) 变化率，因此较难满足传导 EMI 合规性标准。本应用手册使用发射模型讨论了降压转换器中传导 EMI 噪声的组成和产生过程。为了解决这些 EMI 相关问题，我们采用了若干方法和技术来帮助设计人员减轻降压稳压器中的传导 EMI 问题。本文讨论了布局技巧、电感器选择、铁氧体磁珠优化和展频。
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1 简介
随着汽车系统中越来越多使用 48V 直流/直流电源轨，降压转换器因具有较高的 dv/dt 和 di/dt，可能导致系统较难满足 EMI 规格要求。表 1-1 展示了 CISPR 25 的传导 EMI 的峰值限值和平均限值，涵盖了 150kHz 至 108MHz 的特定频率范围。
| 电平以 dB (μV) 为单位 | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 频带 | 频率 (MHz) | 1 级 | 2 级 | 3 级 | 4 级 | 5 级 | |||||
| 峰值 | 平均值 | 峰值 | 平均值 | 峰值 | 平均值 | 峰值 | 平均值 | 峰值 | 平均值 | ||
| 广播 | |||||||||||
| LW | 0.15-0.3 | 110 | 90 | 100 | 80 | 90 | 70 | 80 | 60 | 70 | 50 |
| MW | 0.53-1.8 | 86 | 66 | 78 | 58 | 70 | 50 | 62 | 42 | 54 | 34 |
| SW | 5.9-6.2 | 77 | 57 | 71 | 51 | 65 | 45 | 59 | 39 | 53 | 33 |
| FM | 76-108 | 62 | 42 | 56 | 36 | 50 | 30 | 44 | 24 | 38 | 18 |
| TV 频带 I | 41-88 | 58 | 48 | 52 | 42 | 46 | 36 | 40 | 30 | 34 | 24 |
| 移动服务 | |||||||||||
| CB | 26-28 | 68 | 48 | 62 | 42 | 56 | 36 | 50 | 30 | 44 | 24 |
| VHF | 30-54 | 68 | 48 | 62 | 42 | 56 | 36 | 50 | 30 | 44 | 24 |
| VHF | 68-87 | 62 | 42 | 56 | 36 | 50 | 30 | 44 | 24 | 38 | 18 |
通常，150kHz 至 30MHz 频率范围内的 EMI 噪声主要由开关频率及其谐波组成。这种类型的噪声可以通过使用 EMI 滤波器来降低。但是，对于 30MHz 至 108MHz 的频率范围（包括 AM 和 FM 收音机），EMI 噪声主要由近场辐射导致。由于寄生电容和电感的影响，EMI 滤波器在该频带中不太有效。因此，需要更多的设计注意事项以满足 EMI 限制，尤其是在 FM 频带。此应用主要针对传导 EMI 并提供了在 LMR38020-Q1 EVM 上实现的提示和技巧。
2 降压转换器的传导发射模型
降压转换器的传导发射模型涉及了解差模 (DM) 和共模 (CM) 噪声的来源和传播路径。通过了解这些来源，设计人员可以开发缓解策略，从而降低传导电磁干扰 (EMI) 噪声。
DM 噪声是指在转换器的输入和输出之间流动的噪声。它是由转换器的开关操作导致的，这会导致电压和电流变化。这些变化会生成高频噪声，这些噪声可以通过输入和输出电路传播。降压转换器中 DM 噪声的主要来源是开关晶体管、电感器和输入电容器。
另一方面，CM 噪声是指与转换器的输入和输出并行流动的噪声。这是由转换器布局和寄生电容的不对称引起的。CM 噪声可由转换器的开关操作引起并可通过接地和电力线传播。降压转换器中 CM 噪声的主要来源是输入和输出电路、接地平面和电源布线之间的寄生电容。
2.1 DM 噪声发射模型
图 3-13 中显示了一个带有输入 EMI 滤波器（Lf、Cf）的典型降压电路。虚线突出显示了用于测量传导噪声的线路阻抗稳定网络 (LISN)。切换器的输入电流 i Q1 是不连续的，导致基波和较低阶谐波以及高频噪声电流。差分噪声是由正电力线和返回电力线之间的相反传播路径引起的，与输入电流的快速 di/dt 有关，因此它可以等效于电流源驱动模型，如图 2-5 所示。EMI 滤波器可以减少基波和较低阶谐波，但由于电感器和电容器的寄生参数，它在降低高频 DM 噪声方面的有效性可能会降低。为了降低高频 DM 噪声，封装技术和布局布线技术对于缓解系统中的这些噪声源变得非常重要。
图 2-1 由 di/dt 引起的 DM 噪声的传播路径
图 2-2 由 di/dt 引起的 DM 噪声的发射模型此外，输入电流环路还会产生绕过 EMI 滤波器并耦合到 LISN 的磁场，如图 3-22 中所示。这种磁耦合被建模为互感 (M1)。功率电感器的泄漏磁场也通过互感 (M2) 耦合到 LISN 网络。其发射模型可以等效于图 3-25。两种类型的磁耦合都会产生 DM 噪声电流。为了解决这些问题，通过策略性地放置输入电容器来减少磁耦合 (M1)，从而更大限度地减少降压转换器的输入电流环路至关重要，使用完全密封的电感器来减少磁耦合 (M2) 也是有益的。
图 2-3 磁耦合引起的 DM 噪声的传播路径
图 2-4 磁耦合引起的 DM 噪声的发射模型2.2 CM 噪声发射模型
除了导致 DM 噪声电流的高 di/dt 之外，SW 节点上的高 dv/dt 还可以通过寄生电容 CP 将位移电流耦合到接地端。此耦合噪声电流随后由同方向的电力线和 GND 线返回，从而产生 CM 噪声。
图 2-5 显示了 CM 噪声的传播路径。可以观测到，EMI 滤波器（Lf 和 Cf）不会有效地阻碍 CM 噪声的传播，除非在输入线上添加共模扼流圈 (LCM)。但是，这种解决方案会增加系统成本和解决方案尺寸，在某些应用中可能不可行。
图 2-5 CM 噪声的传播路径CM 噪声受 dv/dt 和 Cp 的影响。它可以表示为电压源驱动模型，如图 3-22 所示。通过添加带有 Cboot 的串联 Rboot 以降低 dv/dt 压摆率，或通过尽可能减小 SW 节点面积来降低 Cp，可以减少噪声源。
图 2-6 CM 噪声发射模型
3.1 磁珠注意事项
很明显，在转换器前面增加一个单级 EMI 滤波器能够有效地减少开关频率及其谐波处的 DM 噪声。但在某些情况下，可能需要一个两级滤波器来实现 DM 噪声的更大衰减。为了保持低成本、高功率密度解决方案，此设计中未使用输入扼流圈。
此外，图 3-25 显示了在 EMI 滤波器前面包含具有更高自谐振频率 (SRF) 的磁珠。这有助于增加高频下的输入阻抗，从而抑制由输入电流尖峰和磁耦合引起的 DM 噪声。
图 3-2 在 EMI 滤波器前面添加磁珠的影响图 3-22 和图 3-12 显示了使用和不使用铁氧体磁珠时的 EMI 测试结果。数据表明，加入磁珠可显著降低噪声水平，尤其是在 10MHz 至 70MHz 范围内，使用磁珠后峰值噪声大约降低 8db，平均噪声降低 10db。这些结果证明了磁珠在降低高频范围内的噪声方面的有效性。
图 3-3 未使用铁氧体磁珠时的传导 EMI 测试结果
图 3-4 使用铁氧体磁珠时的传导 EMI 测试结果