減輕開關(guān)應(yīng)用中的瞬變和EMI噪聲

設(shè)計(jì)電源是一件復(fù)雜的事情。如今，電能的來(lái)源多種多樣，我們也越來(lái)越不能忽視對(duì)這些寶貴能源進(jìn)行有效的管理。線路供電、太陽(yáng)能供電、電池供電、以太網(wǎng)供電以及能量收集技術(shù)，都是我們可以利用的電能來(lái)源。受電負(fù)載不僅提出了必要的電壓和電流標(biāo)準(zhǔn)，其所采用的半導(dǎo)體也變得越來(lái)越敏感，為此電源就要滿足特定的規(guī)格，其要求不僅限于嚴(yán)格的紋波容限，還需要能夠減輕大幅度迅速變化的負(fù)載條件導(dǎo)致的影響，同時(shí)又不在電源軌上引入瞬變并產(chǎn)生過(guò)多的EMI。例如，機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的許多計(jì)算密集型應(yīng)用中使用的FPGA的電流可以在幾微秒內(nèi)從幾安培升至50A以上。

減輕瞬變和EMI的技術(shù)

產(chǎn)生瞬變的原因是多種多樣的。如上所述，高性能可編程邏輯和處理器會(huì)給電源帶來(lái)明顯的負(fù)載波動(dòng)，同時(shí)電源本身也可能會(huì)產(chǎn)生瞬變。工業(yè)電機(jī)控制是瞬態(tài)噪聲的另一種常見來(lái)源，高頻、大電流dv/dt開關(guān)技術(shù)會(huì)導(dǎo)致較大的瞬態(tài)。除非濾波器和無(wú)源組件的組合可以降低瞬態(tài)幅度，否則它們可能會(huì)對(duì)高側(cè)和低側(cè)H橋驅(qū)動(dòng)晶體管造成永久性損害。除電壓尖峰外，瞬變還是電磁干擾 (EMI) 的罪魁禍?zhǔn)字?。此外，廣為采用的高效AC/DC與DC/DC電源開關(guān)拓?fù)洌ɡ缃祲?升壓）也會(huì)在電源軌上產(chǎn)生EMI。根據(jù)導(dǎo)線長(zhǎng)度的不同，EMI可能會(huì)輻射出來(lái)，進(jìn)而干擾終端系統(tǒng)和附近其他設(shè)備的運(yùn)行。雖然采用常規(guī)的無(wú)源組件濾波和箔屏蔽技術(shù)就可以在很大程度上消除感應(yīng)噪聲和輻射噪聲，但這對(duì)某些應(yīng)用而言還不夠，因?yàn)檫@些應(yīng)用要求本底噪聲必須降到極低的水平。對(duì)于開關(guān)轉(zhuǎn)換器，要滿足小型化的趨勢(shì)，減小電感器和無(wú)源元件的物理尺寸是唯一可行的做法，但這樣就必須提高開關(guān)頻率?，F(xiàn)在，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的工作頻率可從數(shù)百kHz直到數(shù)十MHz，覆蓋了AM廣播無(wú)線電的部分頻譜。為了應(yīng)對(duì)這些EMI挑戰(zhàn)，轉(zhuǎn)換器制造商，特別是汽車信息娛樂(lè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器制造商，正通過(guò)實(shí)施擴(kuò)頻技術(shù)來(lái)控制開關(guān)頻率，Texas Instruments TPS6281x-Q1就是這類器件的一個(gè)例子。TPS62810是AEC-Q100汽車級(jí)部件，其默認(rèn)開關(guān)頻率為2.25MHz，并且能夠配置為在1.8MHz至4.0MHz之間的某個(gè)開關(guān)頻率附近以±288kHz的幅度隨機(jī)變化。

另一種用于EMI敏感測(cè)量應(yīng)用的創(chuàng)新技術(shù)是一種DC/DC轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器可以通過(guò)一個(gè)保持電容來(lái)為負(fù)載供電，從而暫時(shí)停止轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測(cè)量。Texas Instruments TPS62840就是這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)例，它具有一個(gè)STOP引腳來(lái)停止轉(zhuǎn)換，從而消除任何開關(guān)噪聲。參見圖1。

圖1：描述Texas Instruments TPS62840降壓轉(zhuǎn)換器STOP功能的圖表 (來(lái)源：Texas Instruments)

審核編輯：郭婷