改善EMI問題的新方案

當(dāng)設(shè)計(jì)中需要優(yōu)先考慮并盡可能減少EMI（電磁干擾）時(shí)，線性穩(wěn)壓器可以算得上一種低噪聲解決方案，但考慮到散熱和效率要求其并不適用于該種場景，反而需要選擇開關(guān)穩(wěn)壓器。即使在對EMI敏感的應(yīng)用中，開關(guān)穩(wěn)壓器通常也是輸入電源總線上的第一個(gè)有源元件，無論下游變換器如何，它都會顯著影響整個(gè)轉(zhuǎn)換器的EMI性能。確?？梢酝ㄟ^電源IC的選取可以抑制EMI并達(dá)到效率要求，LT8614 Silent Switcher穩(wěn)壓器做到了這一點(diǎn)。

與當(dāng)前的開關(guān)穩(wěn)壓器相比，LT8614可將EMI降低20dB以上。相比之下，它在30MHz以上的頻率范圍內(nèi)將EMI降低了10倍的同時(shí)，并未影響等效電路板區(qū)域的最小導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間或效率。它無需額外的元件或屏蔽即可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，代表開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的一個(gè)重大突破。

改善EMI問題的新方案 ? ?

解決EMI(電磁干擾)問題的可靠方法是對整個(gè)電路使用屏蔽盒。當(dāng)然，這會大大增加所需的電路板空間、元件和裝配成本，同時(shí)增加熱管理和測試的復(fù)雜度。另一種方法是減緩開關(guān)邊緣的速度。但這會導(dǎo)致效率降低、增加最小導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間及其相關(guān)死區(qū)時(shí)間等不良影響，并影響潛在的電位電流控制環(huán)路速度。

LT8614 Silent Switcher穩(wěn)壓器在不使用屏蔽盒的情況下達(dá)到了所需的效果（見圖1）。LT8614的IQ低至2.5μA，在無負(fù)載的情況下進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，器件消耗的總電源電流為2.5μA，這對始終開機(jī)的系統(tǒng)非常重要。

圖1. LT8614 Silent Switcher可充分降低EMI/EMC輻射，同時(shí)在高達(dá)3MHz 的頻率下實(shí)現(xiàn)高效率（轉(zhuǎn)換）。

其超低壓差僅受內(nèi)部頂端開關(guān)的限制。與其它解決方案不同，LT8614的VIN-VOUT（輸入輸出電壓）限制不受最大占空比和最小關(guān)斷時(shí)間的限制。如圖6所示，該器件在出現(xiàn)壓降時(shí)會跳過關(guān)斷周期，以保持內(nèi)部頂端開關(guān)升壓級電壓持續(xù)穩(wěn)定。

同時(shí)，典型最小工作輸入電壓僅為2.9V（最大為3.4V），使其能夠在降壓狀態(tài)下提供3.3V的電壓。由于LT8614的總開關(guān)電阻較低，在大電流情況下，其效率高于同類器件。

LT8614(的工作頻率)可以和200kHz至3MHz的外部工作頻率同步。由于交流開關(guān)損耗較低，因此它可以在高開關(guān)頻率下以最低的損耗工作。在對EMI敏感的應(yīng)用比如很多汽車環(huán)境中常見的應(yīng)用中，達(dá)到一個(gè)良好的平衡，并且LT8614可以在AM頻段以下工作以達(dá)到更低的EMI，或者也可以在AM頻段以上工作。在具有700kHz工作開關(guān)頻率的設(shè)置中，標(biāo)準(zhǔn)的LT8614演示板在CISPR25的5級測量中均未超過本底噪聲。

圖2. LT8614板在電波暗室中符合CISPR25輻射標(biāo)準(zhǔn)。本底噪聲與LT8614的電磁輻射騷擾相當(dāng)。

圖2顯示了在12V輸入電壓、3.3V輸出電壓、2A電流、固定開關(guān)頻率為700kHz的電波暗室中進(jìn)行測量的結(jié)果。為了比較LT8614與另一款開關(guān)穩(wěn)壓器，將該產(chǎn)品與LT8610進(jìn)行對比測量（見圖3）。在GTEM室中，對兩個(gè)器件的標(biāo)準(zhǔn)演示板使用相同的負(fù)載、輸入電壓和相同電感進(jìn)行了測試。

圖3. LT8614與LT8610的電磁輻射騷擾 進(jìn)行比較。

可以發(fā)現(xiàn)，與LT8610已經(jīng)很不錯(cuò)的EMI性能相比，使用LT8614還能再改善20dB，特別是在更加難以管理的高頻范圍。

在時(shí)域中，LT8614在開關(guān)節(jié)點(diǎn)邊緣的性能良好，如圖4和圖5所示。即使在4ns/div時(shí)，LT8614穩(wěn)壓器的振鈴也非常小。如圖4所示，相比之下LT8610具有良好的振鈴抑制能力，但與LT8614（圖4）相比，可以看到它在熱回路中存儲的能量更高。

圖4. LT8614 Silent Switcher和LT8610的開關(guān)節(jié)點(diǎn)上升 沿的比較。

圖5. LT8614近乎理想的方波開關(guān)波形實(shí)現(xiàn)了低噪聲操作。

圖6. LT8614和LT8610的開關(guān)節(jié)點(diǎn)的壓降性能。

圖5顯示了13.2V輸入電壓下的開關(guān)節(jié)點(diǎn)，以及LT8614如何在開關(guān)節(jié)點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)近乎理想的方波。圖4、圖5和圖6中的所有時(shí)域測量均使用500MHz Tektronix P6139A的探頭，探頭尖端屏蔽緊密連接至PCB的GND平面。兩個(gè)器件都使用了現(xiàn)成的演示板。

LT861x系列的絕對最大輸入電壓額定值為42V，這對于汽車和工業(yè)環(huán)境非常重要。而在汽車應(yīng)用中壓降性能與其（最大輸入電壓額定值）同樣重要。通常，在冷啟動情況下，必須支持關(guān)鍵的3.3V邏輯電源。在這種情況下，LT8614 Silent Switcher穩(wěn)壓器保持了LT861x系列近乎理想的性能表現(xiàn)。如圖6所示，LT8610/11/14器件沒有采用替代部件的較高欠壓鎖定電壓和最大占空比箝位功能，而是降至3.4V運(yùn)行，并在必要時(shí)開始跳周期。這就會產(chǎn)生比較理想的壓降性能，如圖7所示。

圖7. LT8614壓降性能。與其他LT861x器件一樣，它的工作 電壓低至3.4V，并在必要時(shí)開始跳周期。

LT8614的最低導(dǎo)通時(shí)間為30ns，即使在高開關(guān)頻率下也能實(shí)現(xiàn)較大的降壓比。因此，它可以在輸入電壓高達(dá)42V的情況下，通過一次降壓提供邏輯核心電壓。

結(jié)論 ? ?

眾所周知，為了在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成時(shí)能夠通過電磁干擾測試，在變換器初始設(shè)計(jì)階段就需要慎重考慮電磁干擾問題。LT8614穩(wěn)壓器可以通過選擇功率IC，確保成功可行的實(shí)現(xiàn)這一需求。LT8614將當(dāng)前先進(jìn)的開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的電磁干擾降低了20dB以上，即使提高轉(zhuǎn)換效率，也不需要額外的組件或額外的屏蔽。

開關(guān)穩(wěn)壓器和EMI

印刷電路板的布局設(shè)計(jì)確定了一個(gè)電源的功能、電磁干擾和熱行為，并決定了每一種電源設(shè)計(jì)的成敗。雖然開關(guān)電源的布局不是一門魔法，但在最初的設(shè)計(jì)過程中，它往往會被忽視。由于必須滿足功能和電磁干擾的要求，有利于電源功能穩(wěn)定性的因素通常也有利于電磁干擾輻射。要知道，從一開始就有良好的布局不僅不會增加成本，實(shí)際上還可以節(jié)約成本，并且不再需要更改EMI濾波器、機(jī)械屏蔽、EMI測試時(shí)間和PC板。

EMI發(fā)射有兩類：傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)發(fā)射通過電線和走線連接到產(chǎn)品。由于該噪聲局限于設(shè)計(jì)中的特定端子或連接器，因此通常在開發(fā)過程早期可通過良好的布局和濾波器設(shè)計(jì)保證符合傳導(dǎo)輻射要求。

然而，輻射發(fā)射則是另一回事。電路板上任何承載電流的東西都會輻射電磁場。電路板上的每一條走線都是一根天線，每個(gè)銅層都是一個(gè)鏡子。除了純正弦波或直流電壓以外，任何其他東西都會產(chǎn)生較寬的信號頻譜。即使精心設(shè)計(jì)，開發(fā)人員在系統(tǒng)測試之前，也無法真正知道輻射發(fā)射情況會有多嚴(yán)重。輻射發(fā)射測試只有在設(shè)計(jì)基本完成后才能正式進(jìn)行。

濾波器通常會在一定頻率或在一定頻率范圍內(nèi)衰減信號強(qiáng)度來降低電磁干擾。通過添加金屬板作為磁屏蔽，可以衰減空間（輻射）的一部分能量。通過添加鐵氧體磁珠和其他濾波器抑制PCB走線（傳導(dǎo)）的低頻部分的能量。EMI無法消除，但可以衰減到其他通信和數(shù)字器件能夠接受的水平。此外，一些監(jiān)管機(jī)構(gòu)通過實(shí)施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來確保合規(guī)。

采用表面安裝技術(shù)的現(xiàn)代輸入濾波器擁有比通孔器件更好的性能。但是，這種改善跟不上開關(guān)穩(wěn)壓器工作頻率增加的步伐。更高的效率、較短的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間以及更快的開關(guān)轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致諧波含量更高。所有其他參數(shù)（如開關(guān)容量和轉(zhuǎn)換時(shí)間）保持不變時(shí)，開關(guān)頻率每增加一倍，EMI便惡化6dB。如果開關(guān)頻率增加10倍，寬帶EMI性能就會像一階高通濾波器一樣，輻射增加20dB。

精明的PCB設(shè)計(jì)人員會將熱環(huán)路變小，并讓屏蔽接地層盡可能靠近有源層。盡管如此，器件引腳排列、封裝結(jié)構(gòu)、散熱設(shè)計(jì)的需求以及在去耦元件中儲存充足能量所需的封裝尺寸都要求盡可能減小熱環(huán)路。在典型平面印刷電路板設(shè)計(jì)中更為復(fù)雜的是，由于頻率越高，不良的磁耦合或天線耦合就越顯著，因此走線之間高于30MHz的磁性或變壓器式耦合會削弱所有濾波器的作用。

當(dāng)多個(gè)直流/直流開關(guān)模式穩(wěn)壓器并聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)均流和更高的輸出功率時(shí)，潛在的干擾和噪聲問題可能會變得更加嚴(yán)重。如果所有的穩(wěn)壓器都以類似的頻率工作（開關(guān)），那么電路中多個(gè)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的綜合能量就會集中在該頻率及其諧波上。對于PC板上的其他IC和其他系統(tǒng)板這種能量的存在可能會成為一個(gè)難以解決的問題，器件間靠得很近，易受到這種輻射能量的影響。在汽車系統(tǒng)中，因元器件密集，且經(jīng)常與音頻、射頻、CAN總線以及各種接收系統(tǒng)靠得很近，這種問題尤其令人擔(dān)憂。

　　審核編輯：湯梓紅