中心議題：

• 輕鬆設計EMI兼容的汽車開關穩壓器

不需要完全了解複雜的EMI

，即可輕鬆設計EMI兼容的汽車開關穩壓器。本文以沒有複雜數學運算的直覺方式，分享成功實現開關穩壓器的基本因素，主要包括：斜率控製
、濾波器設計
、元件選用
、配置、噪聲擴散及屏蔽。

汽車本身不斷變化，驅動汽車的電子裝置也是如此。其中最顯著的莫過於插電式電動汽車（PEV），它們采用300V至400V的鋰離子電池和三相推進馬達取代取代燃氣罐和內燃機。精密的電池組電量監控
、再zai生sheng製zhi動dong係xi統tong及ji複fu雜za的de傳chuan輸shu控kong製zhi可ke將jiang電dian池chi使shi用yong時shi間jian優you化hua
，使shi得de電dian池chi需xu要yao充chong電dian的de頻pin率lv減jian少shao。此ci外wai
，現xian今jin的de電dian動dong汽qi車che或huo其qi它ta種zhong類lei的de汽qi車che都dou具ju有you許xu多duo可ke提ti升sheng性xing能neng、安全、便利性及舒適感的電子模塊。許多中檔車均配備先進的全球定位係統（GPS）
、集成DVD播放器及高性能音響係統。

伴隨這些先進設備而來的，是對更高處理速度的需求。因此，現今的汽車整合了高性能微處理器及DSP，使得核心電壓下降至1V
，並且使電流上升5A。使介於6V至40V之間的汽車電池產生如此的電壓及電流需要麵臨許多難題
，其中一項是達到電磁兼容性測試（EMC）的de嚴yan格ge標biao準zhun。線xian性xing穩wen壓ya器qi曾zeng經jing是shi將jiang汽qi車che電dian池chi電dian壓ya轉zhuan換huan為wei調tiao節jie的de電dian源yuan電dian壓ya所suo使shi用yong的de主zhu要yao方fang法fa，但dan現xian在zai已yi經jing不bu合he時shi宜yi。更geng準zhun確que地di說shuo，線xian性xing穩wen壓ya器qi使shi得de輸shu出chu電dian壓ya降jiang低di而er導dao致zhi負fu載zai電dian流liu增zeng加jia。開kai關guan穩wen壓ya器qi則ze愈yu來lai愈yu受shou到dao廣guang泛fan使shi用yong
，隨sui之zhi而er來lai的de是shi對dui於yu電dian磁ci波bo幹gan擾rao（EMI）無線射頻的憂慮
，以及對於安全性係統的重視。

本文將以沒有複雜數學運算的直覺方式，探討成功實現開關穩壓器的基本因素，主要包括：斜率（slew rate）控製、濾波器設計、元件選用、配置
、噪聲擴散及屏蔽。

 
用簡單方法實現開關電源EMC

本文的目的在於不需要完全了解複雜的EMI
，即可嚐試設計EMI兼容的開關穩壓器。事實上
，與EMI有you關guan的de所suo有you問wen題ti都dou來lai源yuan於yu未wei完wan全quan達da到dao開kai關guan穩wen壓ya器qi內nei電dian壓ya與yu電dian流liu變bian化hua的de速su率lv
，以yi及ji與yu電dian路lu板ban信xin號hao線xian上shang或huo元yuan件jian內nei寄ji生sheng電dian路lu元yuan件jian的de互hu動dong方fang式shi。以yi通tong過guo額e定ding14V且以5A產生5V電壓的汽車電池產生動力的200kHz降壓型開關穩壓器為例
，若要達到可觀的效率，開關節點的電壓斜率應該隻占導通時間的一小段，例如1/12以下。連續導電模式（CCM）下運作的降壓轉換器導通時間為D/fsw，其中D是負載周期或脈寬調製（PWM）信號開啟時間百分比與整段時間的比值（ton及toff），而fsw是轉換器的開關頻率。

對於CCM中運作的降壓轉換器，電感電流一直是非零的正電流。在這種情況下，負載周期為D=Vout/Vin，在本例中為38%（5V/14V）。使用200kHz的開關頻率時
，我們很快計算出導通時間為1.8μs。為支持此頻率
，控製開關的上升/下降時間必須小於90納秒。這使得我們注意到第一個減少噪聲的方法

，也就是斜率控製。您可能還無法理解
，但是此時我們非常了解與PWM切換節點有關的諧波，也就是開關穩壓器的控製波形。如果將此波形以圖1（a）中所示的梯形表示，波形的諧波便能夠以圖1（b）中的內容表示，這表明了EMI背後的驅動因素。這一傅裏葉包絡定義了可通過傅裏葉分析或計算梯形波形導通時間及上升時間取得的諧波振幅。



觀(guan)察(cha)頻(pin)域(yu)時(shi)，可(ke)看(kan)出(chu)相(xiang)等(deng)上(shang)升(sheng)和(he)下(xia)降(jiang)時(shi)間(jian)的(de)梯(ti)形(xing)波(bo)形(xing)是(shi)由(you)不(bu)同(tong)的(de)諧(xie)波(bo)信(xin)號(hao)所(suo)組(zu)成(cheng)，這(zhe)些(xie)信(xin)號(hao)存(cun)在(zai)於(yu)周(zhou)期(qi)信(xin)號(hao)基(ji)本(ben)頻(pin)率(lv)的(de)整(zheng)數(shu)倍(bei)數(shu)。值(zhi)得(de)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)
，各(ge)諧(xie)波(bo)的(de)能(neng)量(liang)會(hui)在(zai)1/（π×τ）的第一個轉折點（導通時間）減至20dB/dec，並且在1/（π×tr）的第二個轉折點減至40dB/dec。因yin此ci

，限xian製zhi開kai關guan節jie點dian波bo形xing的de斜xie率lv會hui對dui減jian少shao發fa射she量liang具ju有you重zhong大da影ying響xiang。通tong過guo這zhe項xiang探tan討tao，應ying該gai能neng夠gou清qing楚chu顯xian示shi降jiang低di運yun作zuo頻pin率lv也ye有you利li於yu減jian少shao發fa射she量liang。

AM射頻頻段考量

汽車EMI規範的其中一個難點與AM頻段有關。該頻段從500kHz開始，一直持續到2MHz，對於開關穩壓器而言非常適合。由於梯形波形的最高能量元件是基本元件（假設沒有任何電路板諧振），因此可在AM頻段上下運作。

負載周期重要嗎？

另一項重要因素是
，如果負載周期剛好是50%，複雜梯形切換波形的所有能量會以奇次諧波（1、3、5、7……）呈現。因此，以50%負載周期運作是最壞的情況。在50%上下的負載周期，即使出現諧波
，也會發生自然的EMI擴散。

EMI及EMC標準

您可以將EMI視為不適宜的能量，而這個能量不需要太多就有可能違反發射標準。事實上
，EMI是相當低的能量效應。例如，在1MHz的狀況下
，隻要20nW的EMI便會違反FCC對於傳導發射的規範。傳導發射是以頻譜分析儀監測輸入來源高頻率元件而測得。線路阻抗穩定網路（LISN）可作為開關穩壓器的低阻抗，以及頻譜分析儀線路噪聲的高通濾波器。因此，開關穩壓器的輸入是下一個需要注意之處。

輸入濾波器的考量

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輸入濾波器的考量

造成汽車出現EMI的其中一個主要因素是開關穩壓器在電源排線上傳入AC電流。這些變化的電流本身具有輻射發射及傳導發射的各種波形。例如，在非隔離式升壓轉換器中
，圖2（a）所示的輸入電容（C2）及升壓電感（L1）形成隔離線路發射的單向EMI濾波器。不過，輸入電流具有該波形傅裏葉擴展的AC三角波形，如圖2（b）的綠色信號線所示。


隻要加入L2及C2
，波bo形xing便bian會hui變bian成cheng正zheng弦xian曲qu線xian
，而er能neng量liang會hui重zhong新xin調tiao整zheng為wei相xiang當dang低di的de高gao頻pin率lv峰feng值zhi。不bu過guo
，如ru果guo不bu能neng正zheng確que設she計ji輸shu入ru濾lv波bo器qi
，則ze會hui將jiang噪zao聲sheng放fang大da而er使shi得de控kong製zhi回hui路lu不bu穩wen定ding。因yin此ci
，了le解jie濾lv波bo器qi設she計ji的de概gai念nian，對dui於yu優you化hua濾lv波bo器qi回hui波bo及ji成cheng本ben相xiang當dang重zhong要yao。使shi用yongSPICE的AC分析是有效了解濾波器行為的工具。

不論是設計降壓或升壓電源


，差動模式濾波器或雙向電容輸入濾波器都相當實用，這些能夠避免EMI噪聲進入線路以及輻射和/或傳導噪聲。需要注意的是
，與濾波器元件相關的跨繞組終端電容及電容ESR等寄生元件會明顯影響諧波的衰減，因此應該謹慎使用。

選用正確的元件

元件選擇是設計EMI兼容開關穩壓器的關鍵部分。例如
，屏蔽的電感有助於縮小會產生輻射且耦合成為互感及高阻抗電路（例如PWM控製器的輸入誤差放大器）的漏磁場。

具(ju)有(you)軟(ruan)反(fan)向(xiang)或(huo)低(di)反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)特(te)性(xing)的(de)二(er)極(ji)管(guan)，能(neng)夠(gou)將(jiang)從(cong)導(dao)通(tong)狀(zhuang)態(tai)變(bian)成(cheng)截(jie)止(zhi)狀(zhuang)態(tai)的(de)二(er)極(ji)管(guan)相(xiang)關(guan)的(de)大(da)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)降(jiang)至(zhi)最(zui)低(di)。這(zhe)些(xie)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)會(hui)與(yu)寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)產(chan)生(sheng)作(zuo)用(yong)，而(er)在(zai)超(chao)出(chu)100MHz的切換節點造成振蕩

，並且對EMC試驗造成不良影響。雖然不在本文的討論範圍內，但還是需要說明的是：不正確選用開關穩壓器的回路補償元件
，會使得EMI加劇。如果未正確補償電源供應
，輸出紋波及不穩定現象會使噪聲增加。經過適當補償的電源供應是達到良好噪聲性能的關鍵。

謹記電流經過的路徑

現在需要處理EMI兼(jian)容(rong)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)最(zui)容(rong)易(yi)控(kong)製(zhi)的(de)必(bi)需(xu)層(ceng)麵(mian)
，也(ye)就(jiu)是(shi)電(dian)路(lu)信(xin)號(hao)線(xian)路(lu)徑(jing)及(ji)元(yuan)件(jian)位(wei)置(zhi)。元(yuan)件(jian)位(wei)置(zhi)會(hui)在(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)影(ying)響(xiang)電(dian)路(lu)信(xin)號(hao)線(xian)路(lu)徑(jing)。前(qian)文(wen)曾(zeng)經(jing)說(shuo)過(guo)EMI是不適宜的能量
，而且變化的電流及電壓會通過寄生電容、互感或空氣耦合到敏感電路（例如高阻抗）。因此，對於將來源的發射量降至最低
、元件位置及電流路徑具有重要的效用。

zaiyigedianyuandezhengquepeizhizhong，bixujiangdadianliudaotidehuilubufensuojianzhizuixiao。zheyangzuonenggoujiangzuoweitianxianyuanhefashenengliangdedianganjiangzhizuidi。qizhongyigecengmianshiyouxiaofangzhiyuanjianjixuanyongquoudianrong。tu3顯示同步降壓轉換器的輸出功率級與濾波器。C3將功率級去耦合
，以便在Q2啟動時提供低阻抗源。為了將輻射發射量降至最低
，必須如圖所示連接C3，其中電容的固有阻抗、電路信號線及通過電感的互連均縮減至最小。另外，也需要具有諸如X7R等高自振頻率的高品質電容電介質。



屏蔽

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屏蔽

本文將說明的最後幾項技術是噪聲屏蔽及噪聲擴散，這些可在運用前文討論的技術之後用來提升噪聲容限。如果未達到EMC標準或噪聲容限不足，則需要外部屏蔽來轉移輻射電場發射量，以免傳輸到EMC接收器天線。

散san熱re器qi或huo磁ci性xing核he心xin等deng表biao麵mian出chu現xian開kai關guan電dian壓ya時shi，會hui產chan生sheng電dian場chang。通tong常chang通tong過guo導dao電dian機ji殼ke即ji可ke屏ping蔽bi電dian場chang，其qi中zhong的de導dao電dian材cai料liao可ke將jiang電dian場chang轉zhuan換huan為wei電dian流liu，以yi隔ge離li電dian場chang。當dang然ran，其qi中zhong也ye必bi須xu有you該gai電dian流liu的de路lu徑jing（一般是接地）。但是
，該電流造成的整個傳導噪聲能量需要用濾波器加以解決。外部磁場屏蔽更具挑戰性（成本高）

，而且在較高頻率時的效果不佳。因此
，應該謹慎設計相關磁性元件及電路板回路部分。

采用擴散頻譜

最zui後hou，本ben文wen將jiang探tan討tao另ling一yi項xiang越yue來lai越yue受shou到dao廣guang泛fan使shi用yong的de技ji術shu，能neng夠gou將jiang峰feng值zhi諧xie波bo能neng量liang散san布bu於yu較jiao大da的de頻pin帶dai，以yi有you效xiao降jiang低di該gai能neng量liang。該gai技ji術shu被bei稱cheng為wei展zhan頻pin頻pin率lv抖dou動dong（SSFD），nenggoutongguoxiebofengzhidejiangdijiangzaoshengxinhaocongzhaipinbianchengkuanpin
，yigaibianzaoshengpinpu。qizhongbixulejienengliangpinpudebianhua，erzhenggenengliangzeweichibubian。zuizhongdejieguoshizaoshengshuipingyibanhuizengjia
，congersunhaigaobaozhenxitong。tu4顯示發生的諧波擴散及峰值降低。一般降低的幅度為5至10dB，後續的諧波會增加峰值降低的幅度。



本文小結

您可以花很長的時間了解EMI的複雜度，但是設計EMI兼(jian)容(rong)的(de)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)隻(zhi)需(xu)要(yao)了(le)解(jie)應(ying)用(yong)電(dian)路(lu)及(ji)少(shao)數(shu)基(ji)本(ben)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)屬(shu)性(xing)及(ji)波(bo)形(xing)分(fen)析(xi)。不(bu)論(lun)是(shi)設(she)計(ji)汽(qi)車(che)的(de)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)，還(hai)是(shi)設(she)計(ji)不(bu)使(shi)用(yong)電(dian)池(chi)的(de)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)或(huo)複(fu)雜(za)的(de)PEV電池充電器

，設計EMI兼容的開關穩壓器都需要了解Maxwell方程式的概念。幸好對於我們大多數人而言
，其中並未涉及偏微分方程式
，而隻需要注意快速改變電壓/電流時出現的磁場及電場，並了解本文中所述的技術即可。