功率转换拓朴架构及EMI噪声

所有的电子设备都是以直流电供电的，通常是经过 AC 整流。再由 DC-DC 转换器转压，转到负载所需的电压。目前，大部份的 DC-DC 转换器己普遍以高频率的开关技术为基础，有效的高频率开关一直被视为模块功率密度大小，性能表现优劣的关键。开关频率愈高，所用的磁性元件和电容愈小，反应时间更快，噪声更低，所需滤波器较细小。

但是所有的 DC-DC 转换器还是会产生电磁干扰 (EMI) 或者噪声的，而所产生的噪声水平，不论是共模的，差模的或者是辐射噪声，会因为不同的生产厂，或者是采用不同的转换技术而产生很大的差异，这些差别的根源在于这些噪声是如何产生的。

虽然没有一种功率转换拓朴结构是完美的，但有些拓朴结构是特别配合某些应用要求的。市面上有上百种的DC-DC 转换器，各有不同的设计和拓扑结构，大体可以归为两大类：脉宽调制式 (PWM) 和准谐振零电流开关 (ZCS) 两种。

要完全了解数量这么多的拓朴结构是非常艰巨的任务，本文只着重分析两种主流拓朴结构的噪声表现。具体比较固定频率 DC-DC 转换器 (PWM) 和变频准谐振 DC-DC 转换器 (零电流 ZCS) 的表现。

脉宽调制式与准谐振零电流开关的比较  

脉宽调制式 (PWM) 模块的功率密度是有局限的，因为它需要在工作效率和开关频率间作取舍。问题的核心在于“开关损耗”。开关元件在瞬时导通和关断时，使电感电流产生不连续性的状态，因而产生热量。由开关损耗引发的功耗，会直接随着脉宽调制式模块的开关频率增高而增大，直至它变为一个显着的耗损成因，达到了那一点，效率会迅速减低，开关元件所承受的热及电能应力变得无法处理。这种非零电流开关模块具有开关损耗的属性，变为开关频率障碍，限制了它提升功率密度的能力。

准谐振的零电流开关转换器采用正向开关拓朴，只在电流经过零的时侯才开关，克服了开关频率障碍。每个开关周期传送等量的“能量包”到模块的输出端。每个“开” 与“关”都在零电流的瞬间进行，形成一种近于没有功耗的开关。零电流开关转换器的工作频率可超出 1 MHz。它避免了传统拓朴结构那不连续性电流的特性；实现“无功耗” 的把能量由输入传输至输出，大大减低传导和辐射噪声。

由 PWM 和 ZCS 转换器衍生出来的噪声是有很大分别的。图1 比较 PWM 和 ZCS 转换器的传导噪声，很明显的，ZCS 转换器的波形是一个正弦波而不是方波。此外，由于电流的波形没有几乎垂直上升和下降的尖削部份， 而且谐波含量较低，减少寄生元件的应力，因而噪声更低。相反，PWM 的输入电压是以固定频率开关 (一般是数百 kHz)，做成一连串的脉冲，利用调节脉冲的宽度来为负载提供正确的输出电压及足够的电流。满载时，电流的波形好像是一个方波 (图2)。



图1 – 带共模扼流圈的零电流开关转换器 (图左) 和带滤波器的脉宽调制转换器 (图右) 的传导输入噪声频谱。



图2 - 零电流开关和脉宽调制式架构的电流波形

很多电源工程师都以为，滤掉固定频率转换器所产生的噪声比滤掉变频转换器的来得容易，事实刚好相反 1。 这只是“固定频率”这名词带来的错觉。基本上是个“误称”。因为两个架构都同时拥有大体固定频率的元素，和因应操作点而改变的不固定频率元素。

转换器规格: 48 V 输入，5 V 输出，30A。

图2 比较电流流到主开关的波型图。准谐振转换器的频宽或导通时间 T1 是固定的，而开关频率 T2 是可变的。相反， PWM 转换器的开关周期是固定的，而频宽是可变的。图3 显示这两个拓扑产生的噪声图谱。



图3 – PWM (上图）和零电流开关（下图）的电流波形和频谱。注：波形并不按比例绘制。  

然而，在变频的设计，因为它基本上是一个半波整流的正弦波，没有涉及电流波型的上升及下降陡边的高频份量。因此，变频转换器的波型频谱幅度较低，带宽也较窄。

在 PWM 变换器，大部分能量是在固定频率及其奇数倍数﹝谐波﹞上的。一个100 kHz 的 PWM 变换器，它的传导噪声主要在 100 kHz，有一些在 300 和 500 kHz。因为它是方波，在10 – 30 MHz 间有明显的谐波，也就是高的 di/dt 激发了转换器内的寄生元件。需预备足够的输入滤波器来滤掉满载时的 100 kHz 噪声。这些转换器的波形，频谱噪声水平较高，谐波分布范围较广。

显然，如要尽量减少DC-DC转换器的噪声，第一个步骤应是选择一个合适的拓扑架构，如固有共模噪声较低的零电流开关。此外，在噪声敏感的应用，应避免使用具以下特性的转换器。如把控制器件安装在铜板，这样会使把初级控制元件和次级控制元件间，透过铜板产生寄生电容，因而形成更高幅度的共模噪声。