- 脈寬調(diào)制式與準諧振零電流開關的工作比較
- 采用正向開關拓樸
- 利用調(diào)節(jié)脈沖的寬度來提供輸出電壓及足夠的電流
- 選擇一個合適的拓撲架構
所有的電子設備都是以直流電供電的，通常是經(jīng)過AC整流。再由DC-DC轉換器轉壓，轉到負載所需的電壓。目前，大部份的DC-DC轉換器己普遍以高頻率的開關技術為基礎，有效的高頻率開關一直被視為模塊功率密度大小，性能表現(xiàn)優(yōu)劣的關鍵。開關頻率愈高，所用的磁性元件和電容愈小，反應時間更快，噪聲更低，所需濾波器較細小。
但是所有的DC-DC轉換器還是會產(chǎn)生電磁干擾(EMI)或者噪聲的，而所產(chǎn)生的噪聲水平，不論是共模的，差模的或者是輻射噪聲，會因為不同的生產(chǎn)廠，或者是采用不同的轉換技術而產(chǎn)生很大的差異，這些差別的根源在于這些噪聲是如何產(chǎn)生的。
雖然沒有一種功率轉換拓樸結構是完美的，但有些拓樸結構是特別配合某些應用要求的。市面上有上百種的DC-DC轉換器，各有不同的設計和拓撲結構，大體可以歸為兩大類：脈寬調(diào)制式(PWM)和準諧振零電流開關(ZCS)兩種。
要完全了解數(shù)量這么多的拓樸結構是非常艱巨的任務，本文只著重分析兩種主流拓樸結構的噪聲表現(xiàn)。具體比較固定頻率DC-DC轉換器(PWM)和變頻準諧振DC-DC轉換器(零電流ZCS)的表現(xiàn)。
脈寬調(diào)制式與準諧振零電流開關的比較
脈寬調(diào)制式(PWM)模塊的功率密度是有局限的，因為它需要在工作效率和開關頻率間作取舍。問題的核心在于“開關損耗”。開關元件在瞬時導通和關斷時，使電感電流產(chǎn)生不連續(xù)性的狀態(tài)，因而產(chǎn)生熱量。由開關損耗引發(fā)的功耗，會直接隨著脈寬調(diào)制式模塊的開關頻率增高而增大，直至它變?yōu)橐粋€顯著的耗損成因，達到了那一點，效率會迅速減低，開關元件所承受的熱及電能應力變得無法處理。這種非零電流開關模塊具有開關損耗的屬性，變?yōu)殚_關頻率障礙，限制了它提升功率密度的能力。
準諧振的零電流開關轉換器采用正向開關拓樸，只在電流經(jīng)過零的時侯才開關，克服了開關頻率障礙。每個開關周期傳送等量的“能量包”到模塊的輸出端。每個“開”與“關”都在零電流的瞬間進行，形成一種近于沒有功耗的開關。零電流開關轉換器的工作頻率可超出1MHz。它避免了傳統(tǒng)拓樸結構那不連續(xù)性電流的特性；實現(xiàn)“無功耗”的把能量由輸入傳輸至輸出，大大減低傳導和輻射噪聲。
由PWM和ZCS轉換器衍生出來的噪聲是有很大分別的。圖1比較PWM和ZCS轉換器的傳導噪聲，很明顯的，ZCS轉換器的波形是一個正弦波而不是方波。此外，由于電流的波形沒有幾乎垂直上升和下降的尖削部份，而且諧波含量較低，減少寄生元件的應力，因而噪聲更低。相反，PWM的輸入電壓是以固定頻率開關(一般是數(shù)百kHz)，做成一連串的脈沖，利用調(diào)節(jié)脈沖的寬度來為負載提供正確的輸出電壓及足夠的電流。滿載時，電流的波形好像是一個方波(圖2)。
圖1–帶共模扼流圈的零電流開關轉換器(圖左)和帶濾波器的脈寬調(diào)制轉換器(圖右)的傳導輸入噪聲頻譜。
圖2-零電流開關和脈寬調(diào)制式架構的電流波形
很多電源工程師都以為，濾掉固定頻率轉換器所產(chǎn)生的噪聲比濾掉變頻轉換器的來得容易，事實剛好相反1。這只是“固定頻率”這名詞帶來的錯覺。基本上是個“誤稱”。因為兩個架構都同時擁有大體固定頻率的元素，和因應操作點而改變的不固定頻率元素。
轉換器規(guī)格:48V輸入，5V輸出，30A?！ ?br />
圖2比較電流流到主開關的波型圖。準諧振轉換器的頻寬或導通時間T1是固定的，而開關頻率T2是可變的。相反，PWM轉換器的開關周期是固定的，而頻寬是可變的。圖3顯示這兩個拓撲產(chǎn)生的噪聲圖譜。
圖3–PWM(上圖）和零電流開關（下圖）的電流波形和頻譜。注：波形并不按比例繪制。
然而，在變頻的設計，因為它基本上是一個半波整流的正弦波，沒有涉及電流波型的上升及下降陡邊的高頻份量。因此，變頻轉換器的波型頻譜幅度較低，帶寬也較窄。
在PWM變換器，大部分能量是在固定頻率及其奇數(shù)倍數(shù)﹝諧波﹞上的。一個100kHz的PWM變換器，它的傳導噪聲主要在100kHz，有一些在300和500kHz。因為它是方波，在10–30MHz間有明顯的諧波，也就是高的di/dt激發(fā)了轉換器內(nèi)的寄生元件。需預備足夠的輸入濾波器來濾掉滿載時的100kHz噪聲。這些轉換器的波形，頻譜噪聲水平較高，諧波分布范圍較廣。
顯然，如要盡量減少DC-DC轉換器的噪聲，第一個步驟應是選擇一個合適的拓撲架構，如固有共模噪聲較低的零電流開關。此外，在噪聲敏感的應用，應避免使用具以下特性的轉換器。如把控制器件安裝在銅板，這樣會使把初級控制元件和次級控制元件間，透過銅板產(chǎn)生寄生電容，因而形成更高幅度的共模噪聲。
