降低噪音：限制電磁干擾

當我十幾歲的時候，我的第一份工作就是攢夠錢然后買一個音響，從那天起我的父母似乎每天都在說：“把聲音關(guān)小點兒！”

對，我的確制造了相當大的噪聲?，F(xiàn)在作為一名技術(shù)專家，我每天所關(guān)注的已不再是可以聽到的聲音，而是要想方設(shè)法防止各種電子系統(tǒng)和設(shè)計產(chǎn)生虛假電磁干擾 (EMI)。

電磁干擾

EMI是一種有害的電磁信號，它從外部滲透到電子電路中，電磁感應(yīng)、靜電耦合或傳導是產(chǎn)生電磁干擾的原因。本文的重點是如何正確設(shè)計電子解決方案來幫助工程師“降低噪音”，限制汽車和工業(yè)應(yīng)用中的電磁干擾，讓這類干擾不再是問題。

汽車領(lǐng)域

在汽車創(chuàng)新領(lǐng)域正經(jīng)歷著控制EMI干擾的巨大需求，隨著交通運輸方式的轉(zhuǎn)型，汽車市場預(yù)計將在未來15年翻一番。這種轉(zhuǎn)變的一部分將是電子工業(yè)及其提供前所未有的新服務(wù)能力的副產(chǎn)品。這些創(chuàng)新將依賴于塑造未來的四項關(guān)鍵技術(shù)——ACES，即：
Automation：自動化
Connectivity：互連
Electric：電子
Shared：共享

標準：CISPR

汽車工業(yè)通常遵循的是國際無線電干擾特別委員會 (CISPR) 的標準，CISPR 25條款中第5類測試標準是汽車標準。隨著混合動力汽車和純電動汽車的發(fā)展，系統(tǒng)、標準和選配功能以及配件等形式的汽車應(yīng)用電子產(chǎn)品將迅速且持續(xù)的發(fā)展，進而推動汽車市場的壯大。

電磁干擾的根源

系統(tǒng)的內(nèi)部和外部都會產(chǎn)生電磁干擾，由于車內(nèi)電子解決方案包含的組件數(shù)目不斷增加，而且它們必須作為一個有機整體運行，而不對其他系統(tǒng)產(chǎn)生過多的電磁干擾，因此盡量減少個別組件或整體產(chǎn)生的電磁干擾是至關(guān)重要的。車輛內(nèi)部和外部電磁發(fā)射源包括：氣囊、藍牙技術(shù)設(shè)備、控制器網(wǎng)絡(luò)總線 (CAN)、防撞系統(tǒng) (比如光探測器和距離感應(yīng)器激光/雷達)、巡航系統(tǒng)、直流電機、電子剎車系統(tǒng)、電子控制單元 (ECU)、燃料控制系統(tǒng)、游戲系統(tǒng)、車庫門控制器、全球定位系統(tǒng) (GPS)、點火系統(tǒng)、車載安全系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)、動力轉(zhuǎn)向、無線電 (AM/FM/衛(wèi)星)、遙控門控制系統(tǒng)、輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)等。

電磁干擾的問題

現(xiàn)代汽車利用的開關(guān)電源會產(chǎn)生電磁干擾，使得周圍的系統(tǒng)暴露在這種不必要的干擾環(huán)境之下。汽車內(nèi)部開關(guān)電源的數(shù)量也在不斷的增加，加上物理尺寸的縮小，空間更加的緊湊，對于高效運轉(zhuǎn)、高溫運行以及壽命更長等需要，所有這些都要求電子產(chǎn)品能夠在這些苛刻的環(huán)境下正常工作。

隨著自動駕駛汽車開始進入市場，EMI問題將變得越來越重要，因為人類駕駛員已經(jīng)將控制權(quán)、路線和安全等都交給了車輛，而車輛及乘客的安全將取決于操作系統(tǒng)。

減少電磁干擾

美國科學家本杰明?富蘭克林 (1705-1795) 曾說過一句諺語：“一克 (盎司) 的預(yù)防勝過一公斤(磅)的治療?！保@句諺語傳達了這樣一個事實：電子工程師應(yīng)該在所有組件都整合在一起之前就考慮電磁干擾問題，因為如果工程師不在開發(fā)前期投入適當?shù)木Γ敲淳鸵陂_發(fā)后期投入更多的精力和成本。

電子工程師通常采用三種主要的方式來降低電磁干擾：第一種方法是要確保電子元件或系統(tǒng)有一定的電磁屏蔽措施，適當?shù)碾姶牌帘伟ㄔ谠O(shè)計中加入導電或磁性材料，作為屏蔽雜散輻射的屏障，法拉第屏蔽是一種常見的方法；其次，工程師可以利用電子過濾，過濾器的作用是阻止不必要的頻率，同時讓所需要的頻率在幾乎沒有影響的情況下通過；最后一種方法是建立適當?shù)慕拥兀拥貫?a href="http://ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流進入地面提供了一個通道，這是一個低電動勢 (電壓) 點，這樣有助于減少不必要電荷的過度積累。

下面讓我們來看看兩個完全不同的電子組件如何協(xié)同工作，從而降低噪音并限制汽車系統(tǒng)中的電磁干擾。

解決方案：電源管理IC

為了降低電磁干擾，ADI發(fā)明了專利靜音開關(guān)技術(shù)，使其在高頻、高功率的情況下具有非常棒的屏蔽電磁干擾的性能。靜音開關(guān)技術(shù)將單個大型開關(guān)回路分割成兩個較小的開關(guān)回路，它的原理是相互抵消磁場，就像法拉第屏蔽一樣。

Silent Switcher?2架構(gòu)通過在集成電路 (IC) 內(nèi)部將外部的電壓循環(huán)電容作為內(nèi)部的旁路電容來簡化電路板的設(shè)計與制造，這樣可以大大降低輻射的電磁干擾。將電容內(nèi)部化可以通過最小化噪聲天線來降低電磁干擾。靜音開關(guān)的組件也是單片穩(wěn)壓器，通過集成的MOSFET (金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管) 實現(xiàn)高度的集成，所有這些方法都提升了效率，特別是在更高的開關(guān)頻率下使用時。

Silent Switcher?2的超低電磁干擾消除了PCB (印刷電路板) 布局的敏感性，而降低解決方案成本的一個方法是最小化所需的PCB層數(shù)，盡管這將對性能產(chǎn)生一定的影響。例如工程師不期望2層電路板產(chǎn)生和4層電路板一樣的電磁干擾，一般情況下采用Silent Switcher?2技術(shù)的2層電路板甚至單層電路板設(shè)計，都具有良好的屏蔽電磁干擾性能，這樣可以大大降低制造成本。

此外靜音開關(guān)提供可選的擴頻調(diào)制，這也有助于降低電磁干擾，靜音開關(guān)和Silent Switcher?2技術(shù)完全滿足汽車系統(tǒng)對屏蔽電磁干擾的要求。

SoC器件電源設(shè)計

SoC器件在當今的汽車系統(tǒng)應(yīng)用中隨處可見，例如信息娛樂系統(tǒng)、攝像機、防撞系統(tǒng)、安全和預(yù)警設(shè)備以及傳感器需要處理的信息越來越多。處理過程必須在高效且獨立運行的系統(tǒng)中進行，不需要額外的功率驅(qū)動，但它要求高效率。由于SoC器件處理的任務(wù)越來越多而且要消耗更大的功率，這可能使得電磁干擾管理變得困難。

新型的高科技汽車系統(tǒng)可能集成了很多不同類型的ARM架構(gòu)處理器核心、數(shù)字信號處理器 (DSP)、視頻和圖形處理器以及輔助支持器件。這些組件都需要可靠的電源驅(qū)動，需要的電壓包括：5v、3.3v、1.8v、1.2v、1.1v和0.8v。

為了滿足目前SoC器件的需求，傳統(tǒng)的開關(guān)電源控制器采用的是MOSFET器件，單片機之所以引人注意是因為其內(nèi)部的MOSFET可以將成本和解決方案尺寸降至最低，但是其電流和散熱能力通常會限制其使用范圍。LT8650S是一款全新的單片降壓靜音開關(guān)穩(wěn)壓器，具備支持當前SoC應(yīng)用性能和熱管理的能力。

LT8650S器件

我們來看一下ADI公司最近推出的LT8650S器件：雙通道4A 42V同步降壓靜音電源開關(guān) (靜態(tài)電流6.2μA) (見圖1)，它適用于通用降壓應(yīng)用以及汽車和工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品。LT8650S雙通道同步靜音穩(wěn)壓器為SoC應(yīng)用提供了更大的輸入電壓范圍、更優(yōu)的電磁屏蔽性能以及更小的尺寸，同時提供多個高電流輸入，并具備快速瞬態(tài)響應(yīng)能力。

圖1：ADI公司最新推出的LT8650S雙通道4A 42V同步降壓靜音電源開關(guān) (靜態(tài)電流6.2μA) (來源：ADI)

它設(shè)計有兩個通道，每個通道同時提供4A和最大6A的電流輸入，并具有超低的靜態(tài)電流突發(fā)模式，當輸入電壓VIN=12v，輸出電壓VOUT1=5v，VOUT2=3.3v時其靜態(tài)電流僅6.2μA，紋波小于10mVP-P。此器件可以在低輸出電流的情況下提升效率（輸入12VIN、2MHZ，輸出2A、5VOUT的情況下效率是94.6%；輸入12VIN、2MHZ，輸出4A、5VOUT的情況下效率是93.3%）。在強制連續(xù)模式下允許固定頻率的開關(guān)操作控制整個輸出負載范圍和擴頻操作，可進一步減少電磁干擾。LT8650S可選的外部VC管腳為快速瞬態(tài)響應(yīng)提供了最佳的環(huán)路補償，VC管腳還可以實現(xiàn)電流共享。LT8650S觸發(fā)一個快速的最小開關(guān)時間為40ns，其輸入電壓范圍為3-42V，可調(diào)的同步開關(guān)頻率是300KHz到3MHz，器件大小4x6mm，32個管腳，采用LQFN封裝。

汽車SoC對電源的負載瞬態(tài)響應(yīng)提出了更高的要求，外圍電源負載電流轉(zhuǎn)換速率在100A/μs，無論負載如何變化，電源必須使輸出的電壓瞬態(tài)值最小，快速切換頻率如LT8650S系列的2MHz特性，有助于加快瞬態(tài)恢復(fù)。更快的開關(guān)頻率對應(yīng)更快的動態(tài)響應(yīng)和適當?shù)沫h(huán)路補償。

功率電感支持低EMI的解決方案

Coilcraft公司提供三種流行風格的高性能功率電感器，分為XEL、XAL和XFL系列，這些都屬于Ltral產(chǎn)品系列。XEL和XAL系列采用的都是創(chuàng)新型復(fù)合材料，功率電感器具備非常平緩的電流波動特性。XFL系列也具有平緩的變化特性，它的材料更類似于傳統(tǒng)的鐵氧化材料，比XAL和XEL系列變化速率更大一些。XFL系列具有最低的直流電阻，核心損耗最小。相比XAL系列，新的XEL系列具有更低的交流損耗，而XFL系列的總功率損耗最低 (圖2）。對于設(shè)計用于承受高峰值電流的高頻電源開關(guān)而言，XEL系列無疑是最好的選擇。

圖2：這些表格數(shù)據(jù)展示它們重要的區(qū)別，包括XAL、XEL和XFL系列之間電感和電流的關(guān)系，以及功率損失和紋波電流之間的關(guān)系 (來源：Coilcraft)

ADI的LT8650S演示板卡 (DC2407A) 選擇使用Coilcraft公司提供的功率電感器進行設(shè)計，固定電感器ADI選擇的是符合AEC-Q200的1μH XFL5030-102ME，屬于Coilcraft XAL/XFL功率電感器系列，該系列具有體積小、頻率高、效率高等特性，被新一代靜音開關(guān)器件所選用，當然這是ADI工程師評估各方面因素做出的最好決定。

電感技術(shù)有效的降低電磁干擾

Coilcraft XAL/XFL功率電感器采用Coilcraft Ltra技術(shù)生產(chǎn)，Ltra技術(shù)是使用磁性材料 (例如鐵粉 (Fe)) 生產(chǎn)電感器的獨特方式，通過模制工藝形成堅固的電感器。該技術(shù)有效地消除了繞組之間的任何空間浪費，從而在相同尺寸的部件中產(chǎn)生更高的飽和電流和更低的DC電阻。

市場的趨勢是設(shè)計DC/DC轉(zhuǎn)換器，并且不斷提升切換頻率，目標是降低所需的電感值，減少電感的尺寸和成本。除了這個目標還需要不斷提高組件的效率。隨著開關(guān)頻率的增加，頻率相關(guān)的損失和核心損耗（交流損耗）變得越來越重要，需要讓設(shè)計在高開關(guān)頻率下正常工作，這就提出了更多的要求。Ltra技術(shù)的復(fù)合材料核心是在2MHz的開關(guān)頻率下具備更佳的效率。

Ltra產(chǎn)品采用大型端子設(shè)計，具有最佳的焊接管腳和熱管理。大型端子也可以在沒有熱點的情況下傳輸更高的電流，保持較好的散熱，從而提高器件的長期可靠性。這些元件的緊湊尺寸設(shè)計讓它們在PCB上更好的布局，降低了整體解決方案的尺寸。

Ltra技術(shù)旨在為市場提供非常強勁的零部件，其堅固的形狀、強大的機械和振動應(yīng)對能力使它們能夠適合惡劣的環(huán)境，如汽車、工業(yè)和便攜式電子應(yīng)用等，Ltra具有優(yōu)越的溫度穩(wěn)定性，在-40℃到+125℃的溫度范圍內(nèi)飽和曲線的變化小于3%，并且符合AEC-Q200標準。

一些電感核心材料表現(xiàn)出一種稱為熱老化的負特性，當電感發(fā)生熱老化時，隨著時間和溫度的增加，效率會降低，進而導致發(fā)熱量增加，這樣會進入惡性循環(huán)。電感器和電路的過熱可能超過額定溫度范圍，有時會造成災(zāi)難性的后果，Coilcraft Ltra材料體現(xiàn)了消除熱老化問題的重要特性。

Ltra技術(shù)也有效的降低了電磁干擾，整個線圈采用磁性材料將有害的電磁干擾信號降低到最少，線圈通量由線圈本身決定，允許更加緊湊的線圈設(shè)計方式，線圈間電流屏蔽效果也更好。

Coilcraft公司推出的功率電感器系列包括豐富的可選組件，這使得工程師能夠根據(jù)自己的具體設(shè)計選擇不同型號的電感器，不同尺寸和不同功率級別的器件所具備的參數(shù)都經(jīng)過了優(yōu)化，每種型號都具有獨特的性能優(yōu)勢。

這些功率電感器具有更低的DCR特性，DCR表示的是電感器的電阻值，是由電感器線圈材料的電阻值決定的。

這些功率電感器具有足夠的飽和電流 (ISAT)，由于散熱速率的原因，ADI公司通常不會將每個通道的電流限制設(shè)計到最大，對于這種器件，每個通道的電流限制為4A，兩個通道可同時正常工作，當只有一個通道啟用時每個通道的限制電流可達到6A。

總結(jié)

今天的汽車和工業(yè)市場需要提供高效率、高頻率和低電磁干擾的電子解決方案。文中提供了一個具體的解決方案示例，展示了ADI的Silent Switcher?2穩(wěn)壓器和Coilcraft的功率電感器是如何協(xié)同工作，為用戶提供低電磁干擾解決方案。你現(xiàn)在可能唯一需要擔心的汽車噪音可能是來自后座上孩子們尖叫式的催促聲：“我們到了嗎？”

審核編輯：郭婷