快速切換電源與控制器巧搭配　車用DC-DC切換轉換器EMI有解

快速切換電源應用廣泛，能為多個市場中的各類產品中提供高效轉換。然而，快速切換時間可能會因為電磁干擾(EMI)而產生問題。由於快速切換，電壓和電流波形的上升緣和下降緣變化更快。急遽的變化會在高頻下產生大量能量，成為切換模式電源供應中EMI的主要來源。這種高頻能量會在電源供應器內的諧振槽產生振鈴。
EMI行為需符合法規要求，這取決於產品應用類型，而且汽車、消費和工業市場的要求也各不相同。為了符合法規要求，通常需要EMI濾波，這會在系統中占用大量空間、體積和成本，因此必須瞭解適用於不同產品應用的標準。
本文首先講解切換轉換器中EMI的來源和類型，然後介紹工業市場和汽車市場產品法規標準差異，最後討論Diodes使用的技術，使其DC-DC切換轉換器符合嚴格的汽車標準。
切換轉換器中的EMI
EMI發射有兩種類型：傳導和輻射。傳導發射透過連接到電源轉換器的電線和走線進行。由於雜訊集中在電路中的特定端子或接頭，因此在設計初期採用良好的電路板配置和濾波器設計，能確保符合傳導發射要求。
輻射發射問題則更加棘手。PCB上所有負載電流的元件都會輻射電磁場，電路板上的每條走線都是天線，每塊銅質平面都是諧振器。因此，只有純正弦波或直流電壓才不會在整個訊號頻譜上產生雜訊。
電源供應器設計人員只有在測試系統後，才能瞭解輻射發射的危害程度，並且只有在設計完成後，才能進行輻射發射測試。
為了減輕EMI，可使用濾波器衰減特定頻率下的訊號強度。加裝金屬和電磁遮蔽有助於衰減部分輻射發射，而鐵氧體磁珠和其他類型的濾波器則有助於減少PCB走線的傳導發射。EMI雖然無法完全消除，但可以衰減至不干擾其他通訊或數位元件的程度。
傳導發射EMI標準
多個管理機構規範由設備產生的傳導和輻射發射容許程度，以維持電磁相容性(EMC)。針對消費性市場，在歐盟境內用於通訊和IT終端設備的電源供應器產品應符合歐洲發射標準CISPR32/EN55032。該標準適用於多媒體設備，並已生效成為調和EMC規範標準。
針對工業、科學和醫療(ISM)射頻(RF)的EMI，國際產品標準為CISPR11，其中還有專門針對部分工業終端設備的系統級EMI測試標準。例如，IEC61131-2定義的發射要求，適用於工廠自動化和流程控制應用中廣泛使用的可程式邏輯控制器(PLC)。
對於汽車電子產品設計人員而言，CISPR25詳細說明了相關傳導發射測試。此國際標準適用於汽車元件和模組，並根據接地配置，使用一個或兩個5μH/50Ω人工網路進行測量。
該標準保護車載接收器不受特定頻段下150kHz至108MHz頻率範圍內測量的傳導雜訊影響。這些頻率範圍分布在AM廣播、FM廣播和行動服務頻段中，如圖1所示。

CISPR25規範了峰值(PK)、準峰值(QP)和平均值(AVG)訊號偵測器的傳導發射限制。表1列出了第一類至第五類的限制。

CISPR25中最嚴格的要求為第五類。這些限制相當具有挑戰性，特別是VHF和FM頻段(68~108MHz)中的18dBμV平均值(或38dBμV峰值)限制，因為濾波元器件中的寄生效應會降低此頻率下的EMI濾波器衰減效果。
車用輻射發射EMI標準
CISPR25包括車輛無線電接收標準，因此對各種無線電服務頻段定義了限制。該標準適用於元器件或模組發射測量，以及使用車內天線進行的整車發射測試。
圖2顯示汽車產品應用元器件/模組使用峰值(PK)和AVG偵測器的第五類輻射發射限制。最低測量頻率針對150~300kHz的歐洲長波(LW)廣播頻段，最高頻率為2.5GHz(藍牙和Wi-Fi傳輸)。使用標稱輸出阻抗為50Ω的線性極化電場天線進行測量。

CISPR25的輻射發射測試標準比FCC或CISPR22(適用於消費性產品)更為嚴格，接收器與待測設備(DUT)距離為1公尺，而CISPR22則為10公尺。
適用汽車產品應用的DC-DC降壓轉換器
以高速電源轉換器的實際應用為例，了解該轉換器如何符合汽車領域的EMC標準。AP66x00Q/AP64x03Q 3A DC-DC降壓轉換器，設計用於和符合汽車標準的理想二極體MOSFET控制器AP74700Q搭配使用。
AP74700Q支援3.2V到65V的寬廣輸入操作範圍，能夠控制許多常見的直流電壓軌，例如12V、24V或更高的汽車電池系統。外接N通道功率MOSFET時，可在單向電源路徑上和反向電壓情況下提供低損耗20mV順向電壓降整流器。
廠商如Diodes的DDB103R3示範電路板為上述元器件提供簡單易用的評估系統。板上包括AP74700Q、AP66x00Q/AP64x03Q，以及一個EMI輸入濾波器(圖3)。電路板展示了一個系統級解決方案，具有反向電壓保護、ISO7637-2瞬態脈衝保護(使用適當的TVS)、符合CISPR25第五類標準的EMI濾波，以及DC-DC降壓轉換器。

示範電路板的輸入濾波器包含一個共模扼流圈，兩側接有電容器，形成Pi配置，並串聯一個包含電感器和電容器的LC低通濾波器。這一組合使電路板符合CISPR25第五類標準。
此外，元件的輸出級經過最佳化，可減少EMI。例如專門的閘極驅動器方案，可在不犧牲MOSFET導通和關斷時間的情況下，抑制切換節點振鈴，減少MOSFET切換引起的高頻輻射EMI雜訊。已使用DDB103R3電路板對AP66x00Q/AP64x03Q進行EMI測試，確保符合傳導和輻射發射的CISPR25第五類限制。圖4顯示AP66x00Q/AP64x03Q在500kHz下切換的測試板電路圖。

測試期間，較高的負載會導致更多的EMI，但這符合預期。即便使用階段濾波器，待測設備(DUT)有時仍需透過屏蔽才能消除所有產生的雜訊，才能符合EMI限制。建議將屏蔽層連接至0V，以實現最佳EMI效能。
如今快速切換轉換器會導致傳導和輻射EMI的問題，因此必須小心謹慎，確保電源系統符合相關的EMC標準。
CISPR25第五類是最嚴格的標準，規定了汽車應用產品的標準。即便是精心設計的切換轉換器，如果未採用多級濾波和屏蔽技術，也無法滿足此標準。
為了讓設計工程師確保符合EMC規範，Diodes提供多樣化的車用DC-DC降壓轉換器與控制器，全部經過最佳化，可減少EMI。
(本文作者為Diodes DC-DC事業部DC-DC產品線經理)