是否可以將低EMI電源安裝到擁擠的電路板上

作者：Bhakti Waghmare，Diarmuid Carey

電源產(chǎn)生它，必須解決，但來源是什么，典型的緩解策略是什么？

有限且不斷縮小的電路板空間、緊湊的設(shè)計周期和嚴(yán)格的電磁干擾 （EMI） 規(guī)范（如 CISPR 32 和 CISPR 25）是難以生產(chǎn)具有高效率和良好熱性能的電源的限制。設(shè)計周期通常會將電源設(shè)計推向設(shè)計過程的接近尾聲，這會導(dǎo)致挫敗感，因為設(shè)計人員試圖將復(fù)雜的電源壓縮到更緊湊的位置。按時完成設(shè)計會影響性能，從而將問題推向測試和驗證。簡單性、性能和解決方案數(shù)量傳統(tǒng)上是相互矛盾的：優(yōu)先考慮一兩個所需的功能，而忍受沒有第三個功能，尤其是在設(shè)計截止日期迫在眉睫的時候。犧牲是正常的;他們不應(yīng)該是。

本文首先概述了復(fù)雜電子系統(tǒng)中電源帶來的一個重大問題：EMI，通常簡稱為噪聲。電源產(chǎn)生它，必須解決，但來源是什么，典型的緩解策略是什么？本文介紹了降低EMI的策略，提出了一種解決方案，以降低EMI、保持效率并將電源安裝到有限的解決方案中。

什么是電磁干擾？

電磁干擾是破壞系統(tǒng)性能的電磁信號。這種干擾通過電磁感應(yīng)、靜電耦合或傳導(dǎo)影響電路。對于汽車、醫(yī)療以及測試和測量設(shè)備制造商來說，這是一項關(guān)鍵的設(shè)計挑戰(zhàn)。上述許多限制以及對電源性能要求的提高（增加功率密度、更高的開關(guān)頻率和更高的電流）只會擴(kuò)大EMI的影響，因此需要解決方案來降低EMI。在許多行業(yè)中，必須滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)，如果在設(shè)計周期的早期不考慮，則會顯著影響上市時間。

電磁干擾耦合的類型

當(dāng)干擾源與接收器（即電子系統(tǒng)中的某些組件）耦合時，EMI是電子系統(tǒng)中的一個問題。EMI按其耦合介質(zhì)分類：傳導(dǎo)或輻射。

傳導(dǎo) EMI（低頻，450 kHz 至 30 MHz）

傳導(dǎo)EMI通過寄生阻抗以及電源和接地連接通過傳導(dǎo)耦合到組件。噪聲通過傳導(dǎo)傳遞到另一個設(shè)備或電路。傳導(dǎo)EMI可進(jìn)一步分為共模噪聲或差模噪聲。

共模噪聲通過寄生電容和高dV/dt （C × dV/dt）傳導(dǎo)。它遵循從任何信號（正或負(fù)）到GND的路徑，如圖1所示。

差模噪聲通過寄生電感（磁耦合）和高di/dt（L ×di/dt）傳導(dǎo)。

圖1.差模和共模噪聲。

輻射 EMI（高頻，30 MHz 至 1 GHz）

輻射EMI是通過磁能無線傳輸?shù)奖粶y設(shè)備的噪聲。在開關(guān)電源中，噪聲是高di/dt與寄生電感耦合的結(jié)果。這種輻射噪聲會影響附近的設(shè)備。

電磁干擾控制技術(shù)

解決電源中EMI相關(guān)問題的典型方法是什么？首先，確定EMI是一個問題。這似乎是顯而易見的，但獲得這些知識可能很耗時，因為它需要訪問EMI室（并非在每個角落都可用）來量化電源產(chǎn)生的電磁能量，以及它是否完全符合系統(tǒng)提出的標(biāo)準(zhǔn)。

假設(shè)在測試后，電源存在EMI問題，則面臨著通過許多傳統(tǒng)校正策略來降低EMI的過程，包括：

在最小的電路板面積內(nèi)實現(xiàn)高效率。

良好的熱性能。

布局優(yōu)化：仔細(xì)的電源布局與為電源選擇合適的組件同樣重要。成功的布局在很大程度上取決于電源設(shè)計人員的經(jīng)驗水平。布局優(yōu)化本質(zhì)上是迭代的，經(jīng)驗豐富的電源設(shè)計人員可以幫助最大限度地減少迭代次數(shù)，避免時間延遲和額外的設(shè)計成本。問題是：這種經(jīng)驗在內(nèi)部并不常見。

緩沖器：一些設(shè)計人員提前計劃，并為簡單的緩沖器電路（從開關(guān)節(jié)點到GND的簡單RC濾波器）提供占位面積。這可以抑制開關(guān)節(jié)點振鈴（EMI因素），但這種技術(shù)會導(dǎo)致?lián)p耗增加，從而對效率產(chǎn)生負(fù)面影響。

降低邊沿速率：還可以通過降低柵極導(dǎo)通的壓擺率來減少開關(guān)節(jié)點振鈴。不幸的是，就像緩沖器一樣，這會對整體系統(tǒng)效率產(chǎn)生負(fù)面影響。

擴(kuò)頻頻率調(diào)制（SSFM）：此功能在許多ADI公司的線性?開關(guān)穩(wěn)壓器中作為選件實現(xiàn)，可幫助設(shè)計通過嚴(yán)格的EMI測試標(biāo)準(zhǔn)。在SSFM中，用于驅(qū)動開關(guān)頻率的時鐘在已知范圍內(nèi)調(diào)制（例如，在編程的fSW周圍變化±10%）。這有助于在更寬的頻率范圍內(nèi)分配峰值噪聲能量。

過濾器和屏蔽：過濾器和屏蔽總是在金錢和空間上都很昂貴。它們也使生產(chǎn)復(fù)雜化。

上述所有意外情況都可以減少噪音，但它們都有缺點。在電源設(shè)計中將噪聲降至最低通常是最干凈的路徑，但很難實現(xiàn)。ADI靜音開關(guān)穩(wěn)壓器和靜音開關(guān)穩(wěn)壓器2穩(wěn)壓器在穩(wěn)?壓器上實現(xiàn)了低噪聲，無需額外的濾波、屏蔽或大量的布局迭代。避免昂貴的對策可加快產(chǎn)品上市時間，并節(jié)省大量成本。

最小化電流環(huán)路

為了降低EMI，必須確定電源電路中的熱回路（高di/dt回路）并減少其影響。熱回路如圖2所示。在標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器的一個周期中，交流流過藍(lán)色環(huán)路，M1閉合，M2開路。在M1開路和M2閉合的關(guān)斷周期中，電流通過綠色環(huán)路。產(chǎn)生最高EMI的環(huán)路既不是藍(lán)色環(huán)路也不是綠色環(huán)路，只有紫色環(huán)路傳導(dǎo)完全開關(guān)的交流電，從零切換到IPEAK并返回零，這并不完全直觀。該回路稱為熱回路，因為它具有最高的交流和EMI能量。

開關(guān)穩(wěn)壓器熱回路中的高di/dt和寄生電感會導(dǎo)致電磁噪聲和開關(guān)振鈴。為了降低EMI并改善功能，需要盡可能減少紫色環(huán)路的輻射效應(yīng)。熱回路的輻射發(fā)射隨其面積增加，因此將熱回路的PC面積減小到零并使用阻抗為零的理想電容器可以解決問題（如果可能的話）。

圖2.降壓轉(zhuǎn)換器熱回路。

通過靜音開關(guān)穩(wěn)壓器實現(xiàn)低噪聲

磁力消除

不可能將熱回路面積減少到零，但我們可以將熱回路分成兩個極性相反的回路。這有效地局部包含磁場，這些磁場在距離IC的任何距離處有效地相互抵消。這就是靜音開關(guān)穩(wěn)壓器背后的概念。

圖3.靜音開關(guān)穩(wěn)壓器中的磁消除。

倒裝芯片取代引線鍵合

改善EMI的另一種方法是縮短熱回路中的導(dǎo)線。這可以通過移除將芯片連接到封裝引腳的傳統(tǒng)引線鍵合方法來實現(xiàn)。在封裝中，硅被翻轉(zhuǎn)并添加銅柱。這通過縮短內(nèi)部FET到封裝引腳和輸入電容的距離，進(jìn)一步減小了熱回路的面積。

靜音切換臺 vs. 靜音切換臺 2

圖6.典型的靜音切換器應(yīng)用原理圖及其在PCB上的外觀。

圖6所示為使用靜音開關(guān)穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用，可通過兩個輸入電壓引腳上的對稱輸入電容識別。布局在此方案中很重要，因為靜音開關(guān)技術(shù)要求這些輸入電容盡可能對稱地布局，以提供相互磁場抵消的好處。否則，靜音切換器技術(shù)的優(yōu)勢將喪失。當(dāng)然，問題是如何確保設(shè)計和整個生產(chǎn)的正確布局？答案是靜音切換器 2 穩(wěn)壓器。

靜音切換臺 2

靜音開關(guān)穩(wěn)壓器 2 進(jìn)一步降低了 EMI。通過將電容器（VIN 電容、INTVCC 和升壓電容）集成到 LQFN 封裝中，消除了對 PCB 布局的 EMI 性能敏感性，從而允許放置在盡可能靠近引腳的位置。所有熱回路和接地層均為內(nèi)部器件，從而將EMI降至最低，并減小了解決方案的整體尺寸。

圖7.靜默切換器應(yīng)用與靜默切換器 2 應(yīng)用示意圖。

圖8.封閉式 LT8640S 靜音開關(guān)穩(wěn)壓器 2 穩(wěn)壓器。

靜音切換器 2 技術(shù)還提高了熱性能。LQFN 倒裝芯片封裝上的大型多接地裸露焊盤有助于將熱量從封裝提取到 PCB 中。更高的轉(zhuǎn)換效率也得益于消除高電阻焊絲。在測試EMI性能時，LT8640S以寬裕量通過了CISPR 25 5類峰值限制。

μModule 靜音開關(guān)穩(wěn)壓器

利用在開發(fā)靜音開關(guān)器產(chǎn)品組合時獲得的知識和經(jīng)驗，并將其與已經(jīng)龐大的μModule?產(chǎn)品組合相結(jié)合，使我們能夠提供易于設(shè)計的電源產(chǎn)品，同時滿足電源的一些最重要的指標(biāo) - 熱、可靠性、精度、效率和出色的EMI性能。

圖 9 示出了集成了兩個輸入電容的LTM8053，允許消除磁場，以及該電源工作所需的許多其他無源組件。所有這些都是通過 6.25 mm × 9 mm × 3.32 mm BGA 封裝實現(xiàn)的，這使客戶能夠?qū)⒕性陔娐钒逶O(shè)計的其他領(lǐng)域。

圖9.LTM8053 靜音開關(guān)器裸露裸露的芯片和 EMI 結(jié)果。

無需LDO穩(wěn)壓器 — 電源案例研究

典型的高速ADC需要多個電壓軌，其中一些電壓軌必須非常安靜，才能實現(xiàn)ADC數(shù)據(jù)手冊所列的最高性能。實現(xiàn)高效率、小電路板面積和低噪聲平衡的普遍接受的解決方案是將開關(guān)電源與LDO后置穩(wěn)壓器結(jié)合使用，如圖10所示。開關(guān)穩(wěn)壓器能夠以高效率實現(xiàn)相對較高的降壓比，但噪聲相對較大。低噪聲LDO后置穩(wěn)壓器效率相對較低，但它可以抑制開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的大部分傳導(dǎo)噪聲。通過最小化LDO后置穩(wěn)壓器的降壓比，有助于提高效率。這種組合產(chǎn)生干凈的電源，使ADC以最高性能水平工作。問題在于眾多穩(wěn)壓器的復(fù)雜布局，LDO后置穩(wěn)壓器在較高負(fù)載下可能會出現(xiàn)熱問題。

圖 10.為AD9625 ADC供電的典型電源設(shè)計。

在圖10所示的設(shè)計中，有幾個明顯的權(quán)衡。在這種情況下，低噪聲是重中之重，因此效率和電路板空間必須受到影響。或者，也許不是。最新一代靜音開關(guān)μModule器件將低噪聲能力開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計與μModule封裝相結(jié)合，實現(xiàn)了迄今為止無法實現(xiàn)的簡單設(shè)計、高效率、緊湊尺寸和低噪聲的組合。這些穩(wěn)壓器最大限度地減少了電路板面積，但也實現(xiàn)了可擴(kuò)展性——多個電壓軌可以由一個μModule穩(wěn)壓器供電，從而進(jìn)一步節(jié)省面積和時間。圖 11 示出了使用LTM8065靜音開關(guān)器 μModule 穩(wěn)壓器為 ADC 供電的替代電源樹。

圖 11.使用靜音開關(guān)μModule穩(wěn)壓器為AD9625供電的節(jié)省空間的解決方案。

這些設(shè)計已經(jīng)過相互測試。使用圖10和圖11所示電源設(shè)計的ADC性能已在ADI最近發(fā)表的一篇文章中進(jìn)行了測試和比較。1測試了三種配置：

使用開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO穩(wěn)壓器為ADC供電的標(biāo)準(zhǔn)配置。

使用 LTM8065 直接為 ADC 供電，無需進(jìn)一步濾波。

使用 LTM8065 并增加一個輸出 LC 濾波器來進(jìn)一步清潔輸出。

SFDR 和 SNRFS 的實測結(jié)果表明，LTM8065 可用于直接為 ADC 供電，而不會影響 ADC 的性能。

這種實現(xiàn)的核心優(yōu)點是顯著減少了元件數(shù)量，從而提高了效率，簡化了生產(chǎn)，并減少了電路板面積。

總結(jié)

總之，隨著我們看到向規(guī)格越來越嚴(yán)格的系統(tǒng)級設(shè)計的轉(zhuǎn)變，在可能的情況下利用模塊化電源設(shè)計非常重要，尤其是在電源設(shè)計專業(yè)知識很少的情況下。由于許多細(xì)分市場要求系統(tǒng)設(shè)計符合最新的EMI規(guī)范，因此靜音開關(guān)技術(shù)的使用被集成到小尺寸中，并且易于使用的μModule穩(wěn)壓器可以大大縮短上市時間，同時節(jié)省電路板面積。

靜音開關(guān)μ模塊穩(wěn)壓器的優(yōu)勢

節(jié)省PCB布局設(shè)計時間（無需重新調(diào)整電路板以糾正噪聲問題）。

無需額外的EMI濾波器（節(jié)省元件和電路板面積的成本）。

減少內(nèi)部電源專家調(diào)試電源噪聲的需要。

在寬工作頻率范圍內(nèi)具有高效率。

在為噪聲敏感型器件供電時，無需LDO后置穩(wěn)壓器。

縮短設(shè)計周期。

在最小的電路板面積內(nèi)實現(xiàn)高效率。

良好的熱性能。

審核編輯：郭婷