【導(dǎo)讀】在我接觸EMI前,很多電源適配器工程師以他們有豐富的EMI調(diào)試經(jīng)驗來鄙視我們這些菜鳥,搞的我一直以為EMI是門玄學(xué),也有很多人動不動就拿EMI出來嚇人。我想說電源適配器EMI確實很難理解,很難有精確的紙面設(shè)計,但是通過研究我們還是能知道大概趨勢指導(dǎo)設(shè)計,而不是一些工程嘴里完全靠trial and error的流程。
這就是我們電源適配器工程師外出機(jī)構(gòu)做測試的實驗室~
我先給出結(jié)論,電源適配器EMI確實和開關(guān)頻率不成線性關(guān)系,某些開關(guān)頻率下,EMI濾波器的轉(zhuǎn)折頻率較高,但是總體趨勢而言,是開關(guān)頻率越高,電源適配器EMI體積越??!
我知道很多人開始噴我了,怎么可能,di/dt和dv/dt都大了,怎么可能EMI濾波體積還小了。我想說一句,共模和差模濾波器的沒有區(qū)別,相同的截止頻率下,高頻的衰減更大!就算你高頻下共模噪聲越大,但是你的記住,這個頻率下LC濾波器的衰減更大,想想幅頻曲線吧。為了說明這個結(jié)論,我給出一些定量分析結(jié)果。這些EMI分析均基于AC/DC三相整流,拓?fù)錇榫S也納整流。我分別給出了1Mhz和500Khz的共模噪聲,可以看出,500khz共模濾波器需要的截止頻率為19.2kHz,1MHz為31.2kHz。
這張圖給出了不同頻率下共模和差模濾波器轉(zhuǎn)折頻率的關(guān)系,可以看出,一些低頻點EMI濾波器體現(xiàn)出了非常好的特性。例如70Khz,140Khz。而這兩個開關(guān)頻率是工業(yè)界常用的兩個開關(guān)頻率,非常討巧,因為EMI噪聲測試是150KHz到30MHz。不過這個也與拓?fù)溆嘘P(guān)。
以上數(shù)據(jù)均基于仿真,雖然不能精確的反應(yīng)EMI噪聲的大小,但是趨勢肯定是正確的。說了這么多,我只想表明,開關(guān)頻率的選取相當(dāng)有學(xué)問。如果要以高功率密度為設(shè)計指標(biāo),開關(guān)頻率并不是越高越好,而是有一個最佳轉(zhuǎn)折點。下面2張圖給出了維也納整流器和BUCK-type整流器的功率密度趨勢,可以看出,最佳功率密度點不是一個開關(guān)頻率。對那些拍著腦瓜選開關(guān)頻率,解決EMI問題并且鄙視過我的老工程師,我還是懷有很大敬意的,但是我想說的是,如果真正想設(shè)計一臺最高功率密度的變換器,詳細(xì)的考證是值得的,還不是單純依靠經(jīng)驗,況且經(jīng)驗背后也是一定有理論支持。
我不禁問個問題,都有EMI濾波器,EMI噪聲都符合標(biāo)準(zhǔn),為啥高頻干擾大。難道大家在實際工程遇到高頻干擾是個假象?不是的,舉一個非常簡單的例子,剩下的自己思考吧。
在輸入電壓較高的場合中,一般開關(guān)管驅(qū)動的都需要隔離。我們知道隔離后一端的地一般要接到懸浮開關(guān)管的源端,一般這一點的電平是跳變的,以氮化鎵晶體管為例,這點電壓變化率可以達(dá)到140kV/us。而隔離芯片前一端的地是與控制地連接的,你隨便看看隔離模塊電源的手冊,原副邊耦合的寄生電容一般在60pF左右,也是就說在高速開關(guān)瞬間,會產(chǎn)生大約6A的電流從副邊的地通過電容耦合到原邊,原邊的地電平肯定瞬間產(chǎn)生尖峰,整個控制系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾。所以做高頻的時候,隔離電源的地線千萬不要平行的鋪在2層PCB中,干擾效果會更加強(qiáng)烈。
同時選隔離芯片的時候也需要注意一個參數(shù)叫做CM transient immunity(肯定會給的),這個參數(shù)最好大于開關(guān)瞬間,橋臂中點電平的變化速率。光耦隔離這個參數(shù)一般在30kV/us,磁耦在35kV/us,電容耦合在50kV/us(是不是絕望了,都比氮化鎵低,硅器件一般在10kV/us,Sic 30kV/us)。
還有很多細(xì)節(jié)可以引起干擾,不過真的不是EMI噪聲做的孽。
我先簡單的把以上內(nèi)容總結(jié)一下:
電源適配器不是開關(guān)頻率越高,功率密度就越高,目前這個階段來說真正阻礙功率密度提高的是散熱系統(tǒng)和電磁設(shè)計(包括EMI濾波器和變壓器)和功率集成技術(shù)。
慎重選擇開關(guān)頻率,開關(guān)頻率會極大的影響整個變化器的功率密度,而且針對不同器件,拓?fù)洌罴训拈_關(guān)頻率是變化的。
高頻確實產(chǎn)生很多很難解決的干擾問題,往往要找到干擾回路,然后采取一些措施。
為了繼續(xù)維持電力電子變換器功率密度的增長趨勢,高頻肯定是趨勢。只是針對高頻設(shè)計的電力電子技術(shù)很不成熟,相關(guān)配套芯片沒有達(dá)到要求,一些高頻的電源適配器電磁設(shè)計理論不完善和精確,使用有限元軟件分析將大大增加開發(fā)周期。
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