两种DC-DC 转换器原理产生的噪声特性比较

admin管理员组

文章数量:1565292

2024年8月1日发(作者：)

两种 DC-DC 转换器原理产生的

噪声特性比较

Robert Marchetti，高级产品经理

Vicor 公司，美国 Andover，MA

目前，大部份的 DC-DC 转换器己普遍以高频率的

开关技术为基础。而在开关转换器中，有效的高频

率开关一直被视为模块功率密度大小，性能表现优

劣的关键。开关频率高，所用的磁性元件和电容愈

小，反应时间更快，噪声更低，滤波要求较小。

尽管 DC-DC 转换器所产生的噪声是比之前改善

了，但是所有 DC-DC 转换器还是会产生 EMI 或

者其它噪声的。而所产生的噪声水平，不论是共模

的，差模的或者是辐射噪声，会因为不同的生产厂，

或者是采用不同的转换方法而产生很大的差异。虽

然市面上有上百种的 DC-DC 转换器，各有不同的

设计和拓扑结构，大体可以归为两大类: 固定频率

的脉宽调制式 (PWM) 和变频的准谐振零电流开关

(ZCS) 两种。设计师在选择 DC-DC 转换器时必须

先了解两种原理的噪声表现。

脉宽调制式 (PWM) 模块由于不能够解决开关损

耗问题，故此，它需要在工作效率和开关效率间作

取舍。开关元件在瞬时导通和关断时，使电感电流

产生不连续性的状态，因而产生热量和噪声。由于

功耗来自开关损耗，它会随着脉宽调制式模块的开

关频率增高而增大，直至它变为一个显著的耗损成

因，达到了那一点，效率会迅速减低，开关元件所

承受的热及电气应力变得无法处理。这种开关损耗

的属性，变为开关频率障碍， 限制了转换器提升功

率密度的能力。

准谐振的零电流开关 (ZCS/ZVS) 转换器采用正向

开关拓朴，只在电流经过零的时候才开关，克服了

开关频率障碍。每个开关周期传送等量的“能量包”

到模块的输出端。每个“开”与“关”都在零电流

及零电压的瞬间进行，形成一种近于没有功耗的开

关。零电流开关转换器的工作频率可超出 1 MHz。

它避免了传统拓朴结构那不连续性电流的特性；零

电流及零电压开关架构，实现“无功耗”的把能量

由输入传输至输出，大大减低传导和辐射噪声。

除了所产生的噪声有差别，另一个脉宽调制式与零

电流/零电压开关技术的分别是准谐振转换器的波形

是一正弦波，而不是脉宽调制式的方波。由于电流

的波形没有近乎垂直上升和下降的尖削部份，减少

电抗组件的应力，减低寄生噪声。相反，PWM的输

入电压开关频率是固定的 (一般是数百kHz)，做成

一连串的脉冲，利用调节脉冲的宽度来为负载提供

正确的输出电压及足够的电流。满载时，电流的波

形是一个方波 (图1)。

!

图

1 -

零电流开关和脉宽调制式架构的电流波形

!

很多电源工程师都以为，滤掉固定频率转换器所产

生的噪声比滤掉变频率转换器的来得容易，这恰好

是错的。事实刚好相反

1

。这只是“固定频率”这

名词带来的错觉。基本上是个“误称”，因为两个

架构都同时拥有固定频率的元素，也同时有因应操

作点需要而改变的不固定元素。

图1 比较电流流到主开关的波型图。准谐振转换器

的频宽或导通时间 T1 是固定的，而开关频率 T2

是可变的。相反，PWM 转换器的开关周期是固定

的，而频宽是可变的。这两个架构的上升和下降时

间 (T3)，同样地都是固定的。

!

两种 DC-DC 转换器原理产生的噪声特性比较

第 1/3 页

变频的设计，由于它是一个半正弦波，因此，不会

产生高噪声水平，在波型图显示，变频转换器波型

频谱幅度较低，带宽也较窄。

!

图2 显示这两个拓扑产生的噪声图谱。在 PWM 转

换器，大部分能源是在固定频率和奇数倍数（谐波）

的。一个 100 kHz 的 PWM 变换器，它的传导噪

声主要在 100 kHz，有一些在 300 和500 kHz，因

为它是方波, 在10 – 30 MHz，有明显的谐波，高的

di/dt 激发了转换器内的寄生元件。需要较大的输入

滤波器来滤掉满载时的 100 kHz 噪声。在固定频率

的波形，频谱噪声水平较高，谐波分布范围较广。

级控制元件和次级控制元件间，透过铜板产生寄生

电容，因而形成更高幅度的共模噪声。

图3 便是一个好例子，它显示一个变频准谐振零电

流开关 DC-DC 转换器加上旁路电容器的波型。

图

3 -

传导噪声与负载电流

DC-DC

转换器（

48 V

输入，

5V

输出，

30 A

负载），没有滤波器

!

图

2 – PWM (

上图）和零电流开关（下图）的电流波形和频谱。

注：波形并不按比例绘制。

显然，对于一个要求低噪声的应用，如要尽量减少

DC-DC 转换器的噪声。第一个步骤应是选择一个合

适的，固有共模噪声较低的拓扑，如零电流开关。

此外，在噪声敏感应用，应避免使用具以下特性的

转换器。如把控制器件安装在铜板，这样会使把初

虽然，功率模块通常会带内部输入和输出滤波器;

但如要满足系统要求，或需要符合认可的规格如

FCC，以及欧盟有关电源系统传导到电网的噪声标

准，便需要外加滤波器。许多电源工程师会自己动

手设计方案，大部份的 DC-DC 转换器制造商会提

供详细的应用笔记，并派出知识和经验均十分丰富

的应用工程师协助解决这些问题。此外，还有一些

DC–DC 转换器的供货商，提供交流前端和 EMI

滤波器模块。使用这些过滤器不仅节省时间，而且

质量，性能比较有保证。

!

两种 DC-DC 转换器原理产生的噪声特性比较

第 2/3 页

这些 EMI 滤波器是专为配合供货商的转换器模块

而设计的，只要布线妥当，把转换器模块和滤波器

配套使用，保证能满足特定的EMC 规格。

!

在美国和欧洲，传导噪声是按 FCC 和 VDE 标准

A 级和B 级限制严格规管的。在美国，工业设备的

传导噪声应满足 FCC 标准 A 级要求，家用电器

的传导噪声应满足更严格的 FCC B 级要求。在欧

洲，所有国家均要求工业设备和家用电器的传导噪

声辐射应满足 VDE B 级标准。

开关电源的开关频率一般在 100 kHz 至 1 MHz

之间。反射到电网之传导噪声频谱上的主要尖峰来

自开关频率之基频及其谐波分量。按 EN55011 及

EN55022 的要求，反射到电网之传导噪声在 150 kHz

至 300 MHz 幅度间需附合规定之上限。要符合这

些要求，所有传导噪声，即频谱上的尖峰部份， 必

须低于规定的限度。

!

!

!

图

4 –

符合

EN55022

，

B

级标准的

EMI

输入滤波器

!

这些 EMI 滤波器通常是造成一个器件，(配置与图4

相似) 。它是一个带穿孔引脚的器件，内配共模扼流

圈和 Y-电容器 (线到地)，另加两个电感器和一个

X-电容器（线到线）。由 Z1 提供瞬变保护，这样

子的滤波器有足够的衰减能力，可以符合级别 B 的

传导噪声限制。

!

图5 比较了零电流开关 (ZCS) 及脉宽调制 (PWM)

转换器的传导噪声。请注意，零电流开关转换器的

噪声，即使在未加滤波器的情形下 (图3) 都优于带

滤波器的 PWM 转换器。

!

图

5 –

带共模扼流圈的零电流开关转换器

(

图上

)

和带滤波

器的脉宽调制转换器

(

图下

)

的频谱。

转换器规格

: 48 V

输入，

5 V

输出，

30A

。

!

----------------

1. L. Hsiu, M. Goldman, R. Carlsten, A. Witulski, and W.

Kerwin, “Characterization and Comparison of Noise

Generation for Quasi-Resonant and

Pulsewidth-Modulated Converters”, IEEE Transactions

on Power Electronics, Vol. 9, No. 4, July 1994

两种 DC-DC 转换器原理产生的噪声特性比较

第 3/3 页

本文标签： 噪声开关电流频率传导