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TI经典 巧用转换速率降低汽车音响中的EMI

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电磁干扰EMI不仅出现在常规的电源设计方案中,还出现在工业以及汽车电路应用当中。EMI出现在汽车音响应用当中就会使得音箱发出噪声,带给使用者不好的体验。在本文中,小编将为大家介绍如何使用转换速率来对EMI进行控制的方法。

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图1:同步降压转换器

图1显示了同步降压转换器的原理图以及其开关节点波形。高侧MOSFET的开关速度和高侧/低侧MOSFET与印刷电路板(PCB)杂散电感和电容都具有在开关节点波形达到峰值时振铃的功能。而我们不需要开关节点波形振铃,因为它会增大低侧MOSFET的电压应力,并产生电磁干扰。

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图2

图2:CISPR 25 Class 5,30MHz-108MHz,降压转换器VIN = 12V,VOUT = 3.3V,IOUT= 5A。

为了确定图1中降压转换器的开关节点振铃与其所产生电磁干扰之间的关系,我按照国家无线电干扰特别委员会(CISPR)25 Class 5的规定进行了传导放射测试。图2显示了测试的结果。测得的数据显示:在30MHz-108MHz的频率范围内,降压转换器的传导放射值比Class5限制高出了15dBμV。

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图3:接通和关闭电路

要降低电磁辐射,首先要降低开关节点的振铃噪声。有以下几种方法:首先减缓MOSFET的接通和关闭时间,从而控制开关节点的上升和下降时间。在串联电阻器(RHO与RLO)上加装MOSFET的栅极引线即可实现该功能。参见图3。第二步是在开关节点与接地之间加装一个缓冲器(RSUB与CSUB)。缓冲器电路可以在转换过渡期间抑制寄生电感和电容。

除利用上述方法来降低开关节点振铃噪音外,还有另一种方法,就是使用LM5140-Q1符合汽车应用要求的同步降压控制器。LM5140-Q1的一大重要特性是转换速率控制。通过引出驱动器的源侧和接收侧引线,可以独立控制高/低侧MOSFET的接通和关闭时间。

在低侧MOSFET关闭和高侧顶部MOSFET接通期间,开关节点电压从接地升至VIN。如果高侧顶部MOSFET接通过快,则在过渡时开关节点电压会过冲。增大RHO电阻可以降低高侧MOSFET的驱动电流,减缓该MOSFET的接通时间,同时有助于降低开关节点振铃噪音。注意:减慢高侧MOSFET的关闭时间会增大开关损耗。在低电磁辐射和高侧MOSFET的开关损耗之间选用RHO时,需要做一个权衡折衷。

低侧MOSFET损耗包括RDS(ON)损耗、空载时间损耗和MOSFET内部体二极管的损耗。空载(高/低侧MOSFET均处于关闭状态)时,低侧MOSFET的内部体二极管可传导感应器电流。一般情况下,MOSFET的内部体二极管都有较高的正向电压降,因此其效率会大幅降低。而缩短低侧MOSFET内部体二极管传导电流的时间可以提高效率。

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利用转换速率控制可以在LM5140-Q1驱动器输出(LO引脚)和低侧MOSFET栅极之间插入一个电阻器(ROL),用来延长低侧MOSFET关闭所需的时间。

减慢关闭时间可以减少低侧和高侧MOSFET传导的空载时间,提高降压转换器的效率。缩短同步降压的空载时间时,切勿同时传导高侧和低侧MOSFET。

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图4:降压转换器开关节点波形和转换速率控制

这里使用的LM5140-Q1控制器(参见图4)改装了图1所示的电源。使用转换速率控制优化开关节点的上升和下降时间,消除了开关节点的振铃噪音。

下一步是进行CISPR 25 Class 5传导放射。

选用以下转换速率控制电阻器值:RHO=10 ,RHOL=0 ,RLO=10 和RLOL=10 。选择用于此应用的电阻器对于输入功率低于50W的任何应用来说都是一个很好的起点。

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(a)

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(b) 图5

图5显示了传导放射测试的结果和总结。

转换速率控制比较:CISPR 25 Class 5,VIN=12V,VOUT=3.3V,IOUT=5A。

无转换速率控制(a)和有转换速率控制(b)。

降压转换器借助LM5140-Q1和转换速率控制将传导放射降低了21dBμV。此外还增强了对开关节点上升和下降的控制,同时无需使用缓冲电路,降低了电路的复杂性和成本。挑选出转换速率控制电阻器的正确值,不仅可以降低电磁辐射,还能同时提高系统的效率。

本文为大家介绍了一种通过转换速率控制EMI的方法,为抑制电磁干扰EMI方法提供了新的思路。在一些特殊的情况中可能十分需要通过转换速率的方式来针对EMI进行抑制,因此希望大家能够熟悉本文的内容,在EMI情况发生是及时应对。

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