Как использовать управление скоростью нарастания выходного напряжения для снижения ЭМП

Во многих промышленных и автомобильных системах для питания используются синхронные понижающие преобразователи; в таких системах также требуется обеспечить низкий уровень кондуктивных и излучаемых помех, чтобы источники питания не создавали помех другому оборудованию, которое использует ту же шину (входного напряжения VIN).

Например, в автомобильной информационно-развлекательной системе электромагнитные помехи (ЭМП) могут привести к нежелательному шуму в автомобильной стереосистеме.

На рисунке 1 показана схема синхронного понижающего преобразователя и вид сигнала в его коммутационном узле. Затухающее колебание в области пика сигнала в коммутационном узле зависит как от скорости коммутации полевого МОП-транзистора ключа в верхнем плече, так и от паразитных индуктивности и ёмкости полевых МОП-транзисторов верхнего и нижнего плеч и самой печатной платы. Это затухающее колебание сигнала в коммутационном узле нежелательно, потому что оно может увеличивать нагрузку напряжением полевого МОП-транзистора нижнего плеча и создавать ЭМП.

 Синхронный понижающий преобразователь

Рисунок 1. Синхронный понижающий преобразователь

Чтобы установить взаимосвязь между колебанием сигнала в коммутационном узле понижающего преобразователя, изображённого на рисунке 1, и ЭМП, которые оно создаёт, были проведены испытания кондуктивных помех согласно методике CISPR 25 международного специального комитета по радиопомехам для 5-го класса. Результаты приведены на рисунке 2. Данные измерений показывают, что кондуктивные помехи, создаваемые понижающим преобразователем, превышают пределы, установленные для 5-го класса, на 15 дБмкВ в диапазоне частот 30-108 МГц.

 5-й класс CISPR 25, 30-108 МГц

Рисунок 2. 5-й класс CISPR 25, 30-108 МГц, понижающий преобразователь, VIN=12 В, VOUT=3,3 В, IOUT=5 А

Первым шагом к снижению ЭМП является уменьшение колебаний в коммутационном узле. Для этого есть несколько способов: первый — замедлить включение и выключение полевого МОП-транзистора, от которого зависит длительность переднего и заднего фронтов сигнала в коммутационном узле. Это можно сделать, добавив резисторы (RHO и RLO), включённые последовательно с затворами полевых МОП-транзисторов (рисунок 3). Второй способ — добавить снаббер (демпфер, RSUB и CSUB) между коммутационным узлом и землёй. Снаббер уменьшает паразитные индуктивности и ёмкости при коммутационных переходных процессах.

 Схема включения и выключения

Рисунок 3. Схема включения и выключения

Альтернативой вышеописанным способам снижения колебаний сигнала в коммутационном узле является использование контроллера синхронного понижающего преобразователя LM5140-Q1 для автомобильных систем. Одна из ключевых отличительных особенностей LM5140-Q1 — управление скоростью нарастания выходного напряжения. Контролируя выводы истока и стока драйвера, можно независимо управлять временем включения и выключения полевых МОП-транзисторов как верхнего, так и нижнего плеча. В течение периода, когда нижний полевой МОП-транзистор нижнего плеча выключается, а верхний полевой МОП-транзистор верхнего плеча включается, напряжение в коммутационном узле возрастает от потенциала земли до VIN. Если время включения верхнего полевого МОП-транзистора верхнего плеча слишком короткое, выброс напряжения в коммутационном узле во время этого переходного процесса будет слишком сильный. Увеличение номинала резистора RHO уменьшает ток возбуждения, текущий в полевой МОП-транзистор верхнего плеча, замедляя включение этого полевого МОП-транзистора и способствуя снижению колебаний сигнала в коммутационном узле. Заметьте, замедление выключения полевого МОП-транзистора верхнего плеча увеличит коммутационные потери. Выбирая RHO, нужно будет найти компромисс между низким уровнем ЭМП и коммутационными потерями полевого МОП-транзистора верхнего плеча.

Потери в полевом МОП-транзисторе нижнего плеча включают в себя потери на RDS(ON), потери во время задержки между сигналами открытия и закрытия и потери во внутреннем паразитном диоде полевого МОП-транзистора. В течение времени задержки (когда полевые МОП-транзисторы верхнего и нижнего плеч выключены) внутренний паразитный диод полевого МОП-транзистора нижнего плеча проводит ток индуктивности. Внутренние паразитные диоды полевых МОП-транзисторов обычно имеют высокое падение напряжения в режиме прямого тока, поэтому они могут существенно снижать КПД. Сокращение времени, в течение которого внутренний паразитный диод полевого МОП-транзистора нижнего плеча проводит ток, повышает КПД. При использовании управления скоростью нарастания выходного напряжения резистор (ROL) может быть введён между выходом драйвера LM5140-Q1 (вывод LO) и затвором полевых МОП-транзисторов в нижнем плече, чтобы увеличить время, в течение которого происходит выключение полевого МОП-транзистора нижнего плеча. Замедление включения сокращает время задержки между закрытием одного и открытием другого полевого МОП-транзистора в нижнем и верхнем плечах, повышая КПД понижающего преобразователя. При уменьшении времени задержки синхронного понижающего преобразователя следует убедиться в том, что полевые МОП-транзисторы в верхнем и нижнем плечах никогда не бывают открыты одновременно.

На рисунке 4 показан другой источник питания (не тот, что показан на рисунке 1). В данном рисунке применён контроллер LM5140-Q1.

 Вид сигнала в коммутационном узле понижающего преобразователя

Рисунок 4. Вид сигнала в коммутационном узле понижающего преобразователя с управлением скоростью нарастания выходного напряжения

Использование управления скоростью нарастания выходного напряжения оптимизирует длительность переднего и заднего фронтов сигнала в коммутационном узле, устраняя затухающие колебания этого сигнала.

Следующий шаг — определение кондуктивных помех по методике CISPR 25 для 5-го класса. Были выбраны такие номиналы резисторов управления скоростью нарастания выходного напряжения: RHO=10 Ом, RHOL=O Ом, RLO=10 Ом и RLOL=10 Ом. Резисторы, выбранные для этой системы, представляют собой хорошую начальную точку проектирования любой прикладной системы, в которой выходная мощность меньше 50 Вт. На рисунке 5 показаны результаты и подведены итоги испытания на кондуктивные помехи.

 Сравнение управления скоростью нарастания выходного напряжения

Рисунок 5. Сравнение управления скоростью нарастания выходного напряжения: CISPR 25, класс 5, VIN=12 В, VOUT=3,3 В, IOUT=5 А:
a) без управления скоростью нарастания выходного напряжения; б) с управлением скоростью нарастания выходного напряжения

Понижающий преобразователь, использующий LM5140-Q1 с управлением скоростью нарастания выходного напряжения, уменьшил кондуктивные помехи на 21 дБмкВ. Он также обеспечил лучшее управление нарастанием и убыванием сигнала в коммутационном узле и исключил необходимость снаббера, который усложняет схему и увеличивает её стоимость. Правильно выбирая номиналы резисторов схемы управления нарастанием напряжения, на выходе можно не только уменьшить ЭМП, но и повысить КПД системы.

Литература

  1. Руководство пользователя по оценочному модулю LM5140-Q1 на сайте www.ti.com