- 脈寬調(diào)制式與準(zhǔn)諧振零電流開(kāi)關(guān)的工作比較
- 采用正向開(kāi)關(guān)拓樸
- 利用調(diào)節(jié)脈沖的寬度來(lái)提供輸出電壓及足夠的電流
- 選擇一個(gè)合適的拓?fù)浼軜?gòu)
所有的電子設(shè)備都是以直流電供電的，通常是經(jīng)過(guò)AC整流。再由DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)壓，轉(zhuǎn)到負(fù)載所需的電壓。目前，大部份的DC-DC轉(zhuǎn)換器己普遍以高頻率的開(kāi)關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，有效的高頻率開(kāi)關(guān)一直被視為模塊功率密度大小，性能表現(xiàn)優(yōu)劣的關(guān)鍵。開(kāi)關(guān)頻率愈高，所用的磁性元件和電容愈小，反應(yīng)時(shí)間更快，噪聲更低，所需濾波器較細(xì)小。
但是所有的DC-DC轉(zhuǎn)換器還是會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(EMI)或者噪聲的，而所產(chǎn)生的噪聲水平，不論是共模的，差模的或者是輻射噪聲，會(huì)因?yàn)椴煌纳a(chǎn)廠，或者是采用不同的轉(zhuǎn)換技術(shù)而產(chǎn)生很大的差異，這些差別的根源在于這些噪聲是如何產(chǎn)生的。
雖然沒(méi)有一種功率轉(zhuǎn)換拓樸結(jié)構(gòu)是完美的，但有些拓樸結(jié)構(gòu)是特別配合某些應(yīng)用要求的。市面上有上百種的DC-DC轉(zhuǎn)換器，各有不同的設(shè)計(jì)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大體可以歸為兩大類(lèi)：脈寬調(diào)制式(PWM)和準(zhǔn)諧振零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)兩種。
要完全了解數(shù)量這么多的拓樸結(jié)構(gòu)是非常艱巨的任務(wù)，本文只著重分析兩種主流拓樸結(jié)構(gòu)的噪聲表現(xiàn)。具體比較固定頻率DC-DC轉(zhuǎn)換器(PWM)和變頻準(zhǔn)諧振DC-DC轉(zhuǎn)換器(零電流ZCS)的表現(xiàn)。
脈寬調(diào)制式與準(zhǔn)諧振零電流開(kāi)關(guān)的比較
脈寬調(diào)制式(PWM)模塊的功率密度是有局限的，因?yàn)樗枰诠ぷ餍屎烷_(kāi)關(guān)頻率間作取舍。問(wèn)題的核心在于“開(kāi)關(guān)損耗”。開(kāi)關(guān)元件在瞬時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，使電感電流產(chǎn)生不連續(xù)性的狀態(tài)，因而產(chǎn)生熱量。由開(kāi)關(guān)損耗引發(fā)的功耗，會(huì)直接隨著脈寬調(diào)制式模塊的開(kāi)關(guān)頻率增高而增大，直至它變?yōu)橐粋€(gè)顯著的耗損成因，達(dá)到了那一點(diǎn)，效率會(huì)迅速減低，開(kāi)關(guān)元件所承受的熱及電能應(yīng)力變得無(wú)法處理。這種非零電流開(kāi)關(guān)模塊具有開(kāi)關(guān)損耗的屬性，變?yōu)殚_(kāi)關(guān)頻率障礙，限制了它提升功率密度的能力。
準(zhǔn)諧振的零電流開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器采用正向開(kāi)關(guān)拓樸，只在電流經(jīng)過(guò)零的時(shí)侯才開(kāi)關(guān)，克服了開(kāi)關(guān)頻率障礙。每個(gè)開(kāi)關(guān)周期傳送等量的“能量包”到模塊的輸出端。每個(gè)“開(kāi)”與“關(guān)”都在零電流的瞬間進(jìn)行，形成一種近于沒(méi)有功耗的開(kāi)關(guān)。零電流開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的工作頻率可超出1MHz。它避免了傳統(tǒng)拓樸結(jié)構(gòu)那不連續(xù)性電流的特性；實(shí)現(xiàn)“無(wú)功耗”的把能量由輸入傳輸至輸出，大大減低傳導(dǎo)和輻射噪聲。
由PWM和ZCS轉(zhuǎn)換器衍生出來(lái)的噪聲是有很大分別的。圖1比較PWM和ZCS轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)噪聲，很明顯的，ZCS轉(zhuǎn)換器的波形是一個(gè)正弦波而不是方波。此外，由于電流的波形沒(méi)有幾乎垂直上升和下降的尖削部份，而且諧波含量較低，減少寄生元件的應(yīng)力，因而噪聲更低。相反，PWM的輸入電壓是以固定頻率開(kāi)關(guān)(一般是數(shù)百kHz)，做成一連串的脈沖，利用調(diào)節(jié)脈沖的寬度來(lái)為負(fù)載提供正確的輸出電壓及足夠的電流。滿(mǎn)載時(shí)，電流的波形好像是一個(gè)方波(圖2)。
圖1–帶共模扼流圈的零電流開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器(圖左)和帶濾波器的脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器(圖右)的傳導(dǎo)輸入噪聲頻譜。
圖2-零電流開(kāi)關(guān)和脈寬調(diào)制式架構(gòu)的電流波形
很多電源工程師都以為，濾掉固定頻率轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的噪聲比濾掉變頻轉(zhuǎn)換器的來(lái)得容易，事實(shí)剛好相反1。這只是“固定頻率”這名詞帶來(lái)的錯(cuò)覺(jué)?；旧鲜莻€(gè)“誤稱(chēng)”。因?yàn)閮蓚€(gè)架構(gòu)都同時(shí)擁有大體固定頻率的元素，和因應(yīng)操作點(diǎn)而改變的不固定頻率元素。
轉(zhuǎn)換器規(guī)格:48V輸入，5V輸出，30A?！ ?br />
圖2比較電流流到主開(kāi)關(guān)的波型圖。準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的頻寬或?qū)〞r(shí)間T1是固定的，而開(kāi)關(guān)頻率T2是可變的。相反，PWM轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)周期是固定的，而頻寬是可變的。圖3顯示這兩個(gè)拓?fù)洚a(chǎn)生的噪聲圖譜。
圖3–PWM(上圖）和零電流開(kāi)關(guān)（下圖）的電流波形和頻譜。注：波形并不按比例繪制。
然而，在變頻的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗旧鲜且粋€(gè)半波整流的正弦波，沒(méi)有涉及電流波型的上升及下降陡邊的高頻份量。因此，變頻轉(zhuǎn)換器的波型頻譜幅度較低，帶寬也較窄。
在PWM變換器，大部分能量是在固定頻率及其奇數(shù)倍數(shù)﹝諧波﹞上的。一個(gè)100kHz的PWM變換器，它的傳導(dǎo)噪聲主要在100kHz，有一些在300和500kHz。因?yàn)樗欠讲?，?0–30MHz間有明顯的諧波，也就是高的di/dt激發(fā)了轉(zhuǎn)換器內(nèi)的寄生元件。需預(yù)備足夠的輸入濾波器來(lái)濾掉滿(mǎn)載時(shí)的100kHz噪聲。這些轉(zhuǎn)換器的波形，頻譜噪聲水平較高，諧波分布范圍較廣。
顯然，如要盡量減少DC-DC轉(zhuǎn)換器的噪聲，第一個(gè)步驟應(yīng)是選擇一個(gè)合適的拓?fù)浼軜?gòu)，如固有共模噪聲較低的零電流開(kāi)關(guān)。此外，在噪聲敏感的應(yīng)用，應(yīng)避免使用具以下特性的轉(zhuǎn)換器。如把控制器件安裝在銅板，這樣會(huì)使把初級(jí)控制元件和次級(jí)控制元件間，透過(guò)銅板產(chǎn)生寄生電容，因而形成更高幅度的共模噪聲。
