设计超薄及低EMI电源

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1、设计超薄及低EMI电源如今，许多消费类电子产品正朝薄型化方向发展。设计师在设计薄型电源时所面临的挑战之一是，必须满足国际规范（例如EN55022B）0因此，需要在PWM开关中添加若干元件，对开关过程中产生的EMI噪声进行滤波。这些元件不仅会增加成本，还会占用狭小适配器外壳内宝贵的空间。因此，需要釆用新的解决方案，以有效降低发出的噪声量，并减少通过传导及辐射EMI规范所需的滤波元件数目。解决这一挑战的方法之一就是采用PWM（脉冲宽度调制）控制IC。笔记本电脑适配器中的开关控制器通常以大约65kHz〜100kHz的最大开关频率进行工作。频率大小是元件（如变压器）尺寸、开关损耗及EMIN

2、间折中的结果。提高频率后可以使用低成本的小型变压器，但这会增加开关损耗，并带来额外的EMI挑战。此外，电源还会因开关损耗的增加，而付出与系统散热方案相关的额外的成本及尺寸代价。图1,采用TOPSwitch-HXTOP259LN器件的65W笔记本适配器电源的电路图图1所示的电路符合薄型电源的设计标准。这是一款工作频率为132kllz的65W笔记本适配器。该设计可使笔记本适配器装入15mm厚的壳体中，而制造成木却与双倍厚度的标准适配器相当。该设计的关键是采用了集成开关IC器件，即U1。此设计范例使用的是PowerIntegrations公司的TOPSwitch-HX器件oTOPSwit

3、ch-HX将700V功率MOSFET与一个多功能PWM控制器集成在同一个器件中。集成MOSFET采用专利技术构建而成，与传统的功率MOSFET相比寄生电容（即CGS、CDS和CGD）有显著降低。此外，再加上严格耦合的集成驱动器，这样可将开关电源的工作频率设定在132kHz,从而实现利用体积更小、成本更低的元件Z目的，同时与传统的MOSFET设计相比，其在较低开关频率下工作时的总体损耗更低。除降低功率MOSFET寄生损耗外，TOPSwitch-IIX中集成的控制引擎可通过调节开关频率，来提高电源整个工作负载范围内的效率。最大开关频率选取为132kIIz（典型值），以便减小变压器及输岀

4、滤波器的尺寸，同时保持开关频率低于150kHzo为进一步提高电源的EMI性能,TOPSwitch-HX控制引擎以250Hz的调制速率在±5kHz的范围内对开关频率进行调制，而在全频模式下，可使平均开关频率保持在132kHzo这种调制技术称为频率抖动（见图2）,它可以将EMI噪声分散到整个频率范围内，从而降低与单一频率相关的能量幅值。此项技术所具有的优势可适用于与基本开关频率相关的噪声控制以及在其高次谐波下的噪声控制。Time图2,频率调制图示举例来说，在基本开关频率下（本设计为132kIIz）,能量分散在lOkllz的频带内，但在二次谐波（264kHz）下，能量则分散在20kHz的

5、频带内。图3所示为测得的已完成设计的传导EMI性能图。该测量图显示了此测试的准峰值和平均结果，测量结果与EN55022B限值的对比分别用蓝色和红色实线表示，比较范围是150kIIz〜20MIIzo请注意，此测试的起始频率为150kIIzo全频模式下的典型开关频率(132kIIz±5kIIz)低于此导通EMI测试的150kHz起始频率(包括EMI噪声分析仪上典型的9kHz测量窗口)。在辐射EMI管理中，一个重要因素就是散热片设计及其与“噪声”元件的连接方式。散热片通常用于管理由这些设计产生的热量；在本应用中,-个经常需要散热的元件是功率MOSFETo功率M0SFET的散热效果会对设计

6、的辐射EMI性能产生影响，因为开关功率MOSFET是一个EMI噪声源。功率MOSFET封装通常集成有“散热块”或导热片，帮助将热量从硅芯片转移到散热片。这些导热片通常与MOSFET的漏极电气相连；开关期间，漏极节点的电位可随着MOSFET的导通和关断出现大幅波动oTOPSwitch-HX封装内的导热片与MOSFET的源极而不是漏极进行内部电气相连，这样可降低此元件所辐射的噪声的水平，见图4。图4,散热块与MOSFET源极相连的TOPSwitch-IIX与辐射EMI管理相关的另一个重耍考虑因素，涉及MOSFET栅极驱动级与功率MOSFET之间的栅极驱动“环路”。在分立设计中，栅极驱动

7、级与功率MOSFET分离，相隔数毫米的距离（例如，8mnT10mni）。从栅极驱动的输出到MOSFET栅极所形成的环路，与从MOSFET源极到栅极驱动的参考所形成的环路，都可轻易超出15mm。在MOSFET导通和关断时，电流所流经的环路可充当天线并传导EMI噪声，见图5。因此，在印制电路板上布置元件时，布板工程师会尝试缩短此环路。不过，TOPSwitch-HX是一种单片IC,它同时集成了控制器、栅极驱动级和功率MOSFETo在本例中，实际的栅极驱动环路小于1mm,因此