减轻开关应用中的瞬变和EMI噪声

设计电源是一件复杂的事情。如今，电能的来源多种多样，我们也越来越不能忽视对这些宝贵能源进行有效的管理。线路供电、太阳能供电、电池供电、以太网供电以及能量收集技术，都是我们可以利用的电能来源。受电负载不仅提出了必要的电压和电流标准，其所采用的半导体也变得越来越敏感，为此电源就要满足特定的规格，其要求不仅限于严格的纹波容限，还需要能够减轻大幅度迅速变化的负载条件导致的影响，同时又不在电源轨上引入瞬变并产生过多的EMI。例如，机器学习领域的许多计算密集型应用中使用的FPGA的电流可以在几微秒内从几安培升至50A以上。

减轻瞬变和EMI的技术

产生瞬变的原因是多种多样的。如上所述，高性能可编程逻辑和处理器会给电源带来明显的负载波动，同时电源本身也可能会产生瞬变。工业电机控制是瞬态噪声的另一种常见来源，高频、大电流dv/dt开关技术会导致较大的瞬态。除非滤波器和无源组件的组合可以降低瞬态幅度，否则它们可能会对高侧和低侧H桥驱动晶体管造成永久性损害。除电压尖峰外，瞬变还是电磁干扰 (EMI) 的罪魁祸首之一。此外，广为采用的高效AC/DC与DC/DC电源开关拓扑（例如降压/升压）也会在电源轨上产生EMI。根据导线长度的不同，EMI可能会辐射出来，进而干扰终端系统和附近其他设备的运行。虽然采用常规的无源组件滤波和箔屏蔽技术就可以在很大程度上消除感应噪声和辐射噪声，但这对某些应用而言还不够，因为这些应用要求本底噪声必须降到极低的水平。对于开关转换器，要满足小型化的趋势，减小电感器和无源元件的物理尺寸是唯一可行的做法，但这样就必须提高开关频率。现在，开关模式转换器的工作频率可从数百kHz直到数十MHz，覆盖了AM广播无线电的部分频谱。为了应对这些EMI挑战，转换器制造商，特别是汽车信息娱乐系统的转换器制造商，正通过实施扩频技术来控制开关频率，Texas Instruments TPS6281x-Q1就是这类器件的一个例子。TPS62810是AEC-Q100汽车级部件，其默认开关频率为2.25MHz，并且能够配置为在1.8MHz至4.0MHz之间的某个开关频率附近以±288kHz的幅度随机变化。

另一种用于EMI敏感测量应用的创新技术是一种DC/DC转换器，这种转换器可以通过一个保持电容来为负载供电，从而暂时停止转换器进行测量。Texas Instruments TPS62840就是这项技术的实例，它具有一个STOP引脚来停止转换，从而消除任何开关噪声。参见图1。

图1：描述Texas Instruments TPS62840降压转换器STOP功能的图表 (来源：Texas Instruments)

审核编辑：郭婷