汽車和工業應用中如何使用轉換速率控制EMI

　　許多工業和汽車應用中都使用了同步降壓轉換器電源拓撲結構；此類應用還要求具有低傳導放射和輻射放射特性，以確保電源不會干擾共用同一條總線的其它設備（輸入電壓 ［VIN］）。例如，在汽車信息娛樂系統中，電子干擾（EMI） 會在汽車立體音響中發出撓人的噪音。

　　圖1顯示了同步降壓轉換器的原理圖以及其開關節點波形。高側MOSFET的開關速度和高側/低側MOSFET與印刷電路板（PCB）雜散電感和電容都具有在開關節點波形達到峰值時振鈴的功能。而我們不需要開關節點波形振鈴，因為它會增大低側MOSFET的電壓應力，并產生電磁干擾。

　　圖1：同步降壓轉換器

　　為了確定圖1中降壓轉換器的開關節點振鈴與其所產生電磁干擾之間的關系，我按照國家無線電干擾特別委員會（CISPR） 25 Class 5的規定進行了傳導放射測試。圖2顯示了測試的結果。測得的數據顯示：在30MHz-108MHz的頻率范圍內，降壓轉換器的傳導放射值比Class 5限制高出了15dBµV。

　　圖2：CISPR 25 Class 5， 30MHz-108MHz，降壓轉換器 VIN = 12V， VOUT = 3.3V， IOUT= 5A

　　要降低電磁輻射，首先要降低開關節點的振鈴噪聲。有以下幾種方法：首先減緩MOSFET的接通和關閉時間，從而控制開關節點的上升和下降時間。在串聯電阻器（RHO與RLO）上加裝MOSFET的柵極引線即可實現該功能；參見圖3。第二步是在開關節點與接地之間加裝一個緩沖器（RSUB與CSUB）。緩沖器電路可以在轉換過渡期間抑制寄生電感和電容。

　　圖3：接通和關閉電路

　　除利用上述方法來降低開關節點振鈴噪音外，還有另一種方法，就是使用LM5140-Q1符合汽車應用要求的同步降壓控制器。LM5140-Q1的一大重要特性是轉換速率控制。通過引出驅動器的源側和接收側引線，可以獨立控制高/低側MOSFET的接通和關閉時間。

　　在低側MOSFET關閉和高側頂部MOSFET接通期間，開關節點電壓從接地升至VIN。如果高側頂部MOSFET接通過快，則在過渡時開關節點電壓會過沖。增大RHO電阻可以降低高側MOSFET的驅動電流，減緩該MOSFET的接通時間，同時有助于降低開關節點振鈴噪音。注意：減慢高側MOSFET的關閉時間會增大開關損耗。在低電磁輻射和高側MOSFET的開關損耗之間選用RHO時，需要做一個權衡折衷。

　　低側MOSFET損耗包括RDS（ON）損耗、空載時間損耗和MOSFET內部體二極管的損耗。空載（高/低側MOSFET均處于關閉狀態）時，低側MOSFET的內部體二極管可傳導感應器電流。一般情況下，MOSFET的內部體二極管都有較高的正向電壓降，因此其效率會大幅降低。而縮短低側MOSFET內部體二極管傳導電流的時間可以提高效率。

　　利用轉換速率控制可以在LM5140-Q1驅動器輸出（LO引腳）和低側MOSFET柵極之間插入一個電阻器（ROL），用來延長低側MOSFET關閉所需的時間。減慢關閉時間可以減少低側和高側MOSFET傳導的空載時間，提高降壓轉換器的效率。縮短同步降壓的空載時間時，切勿同時傳導高側和低側MOSFET。

　　圖4：降壓轉換器開關節點波形和轉換速率控制

　　我使用LM5140-Q1控制器（參見圖4）改裝了圖1所示的電源。使用轉換速率控制優化開關節點的上升和下降時間，消除了開關節點的振鈴噪音。

　　下一步是進行CISPR 25 Class 5傳導放射。我選用了以下轉換速率控制電阻器值：RHO = 10?， RHOL = 0?， RLO = 10? 和 RLOL= 10?。選擇用于此應用的電阻器對于輸入功率低于50W的任何應用來說都是一個很好的起點。

　　圖5顯示了傳導放射測試的結果和總結。

　　圖5：轉換速率控制比較：CISPR 25 Class 5， VIN = 12V， VOUT = 3.3V， IOUT = 5A，無轉換速率控制（a）和有轉換速率控制（b）

　　降壓轉換器借助LM5140-Q1和轉換速率控制將傳導放射降低了21dBµV。此外還增強了對開關節點上升和下降的控制，同時無需使用緩沖電路，降低了電路的復雜性和成本。

　　挑選出轉換速率控制電阻器的正確值，不僅可以降低電磁輻射，還能同時提高系統的效率。