关于转换速率控制汽车和工业应用中的EMI方法分析

许多工业和汽车应用中都使用了同步降压转换器电源拓扑结构；此类应用还要求具有低传导放射和辐射放射特性，以确保电源不会干扰共用同一条总线的其它设备（输入电压 [VIN]）。例如，在汽车信息娱乐系统中，电子干扰(EMI) 会在汽车立体音响中发出挠人的噪音。

图1显示了同步降压转换器的原理图以及其开关节点波形。高侧MOSFET的开关速度和高侧/低侧MOSFET与印刷电路板(PCB)杂散电感和电容都具有在开关节点波形达到峰值时振铃的功能。而我们不需要开关节点波形振铃，因为它会增大低侧MOSFET的电压应力，并产生电磁干扰。

图1：同步降压转换器

为了确定图1中降压转换器的开关节点振铃与其所产生电磁干扰之间的关系，我按照国家无线电干扰特别委员会(CISPR) 25 Class 5的规定进行了传导放射测试。图2显示了测试的结果。测得的数据显示：在30MHz-108MHz的频率范围内，降压转换器的传导放射值比Class 5限制高出了15dBµV。

图2：CISPR 25 Class 5, 30MHz-108MHz，降压转换器 VIN= 12V, VOUT= 3.3V, IOUT= 5A

要降低电磁辐射，首先要降低开关节点的振铃噪声。有以下几种方法：首先减缓MOSFET的接通和关闭时间，从而控制开关节点的上升和下降时间。在串联电阻器（RHO与RLO）上加装MOSFET的栅极引线即可实现该功能；参见图3。第二步是在开关节点与接地之间加装一个缓冲器（RSUB与CSUB）。缓冲器电路可以在转换过渡期间抑制寄生电感和电容。

图3：接通和关闭电路

除利用上述方法来降低开关节点振铃噪音外，还有另一种方法，就是使用LM5140-Q1符合汽车应用要求的同步降压控制器。LM5140-Q1的一大重要特性是转换速率控制。通过引出驱动器的源侧和接收侧引线，可以独立控制高/低侧MOSFET的接通和关闭时间。

在低侧MOSFET关闭和高侧顶部MOSFET接通期间，开关节点电压从接地升至VIN。如果高侧顶部MOSFET接通过快，则在过渡时开关节点电压会过冲。增大RHO电阻可以降低高侧MOSFET的驱动电流，减缓该MOSFET的接通时间，同时有助于降低开关节点振铃噪音。注意：减慢高侧MOSFET的关闭时间会增大开关损耗。在低电磁辐射和高侧MOSFET的开关损耗之间选用RHO时，需要做一个权衡折衷。

低侧MOSFET损耗包括RDS(ON)损耗、空载时间损耗和MOSFET内部体二极管的损耗。空载（高/低侧MOSFET均处于关闭状态）时，低侧MOSFET的内部体二极管可传导感应器电流。一般情况下，MOSFET的内部体二极管都有较高的正向电压降，因此其效率会大幅降低。而缩短低侧MOSFET内部体二极管传导电流的时间可以提高效率。

利用转换速率控制可以在LM5140-Q1驱动器输出（LO引脚）和低侧MOSFET栅极之间插入一个电阻器(ROL)，用来延长低侧MOSFET关闭所需的时间。减慢关闭时间可以减少低侧和高侧MOSFET传导的空载时间，提高降压转换器的效率。缩短同步降压的空载时间时，切勿同时传导高侧和低侧MOSFET。

图4：降压转换器开关节点波形和转换速率控制

我使用LM5140-Q1控制器（参见图4）改装了图1所示的电源。使用转换速率控制优化开关节点的上升和下降时间，消除了开关节点的振铃噪音。

下一步是进行CISPR 25 Class 5传导放射。我选用了以下转换速率控制电阻器值：RHO= 10Ω, RHOL= 0Ω, RLO= 10Ω 和 RLOL= 10Ω。选择用于此应用的电阻器对于输入功率低于50W的任何应用来说都是一个很好的起点。

图5显示了传导放射测试的结果和总结。

图5：转换速率控制比较：CISPR 25 Class 5, VIN= 12V, VOUT= 3.3V, IOUT= 5A，无转换速率控制(a)和有转换速率控制(b)

降压转换器借助LM5140-Q1和转换速率控制将传导放射降低了21dBµV。此外还增强了对开关节点上升和下降的控制，同时无需使用缓冲电路，降低了电路的复杂性和成本。

挑选出转换速率控制电阻器的正确值，不仅可以降低电磁辐射，还能同时提高系统的效率。