汽車(chē)電子中的EMI輻射設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　大家都知道，印刷電路板布局決定著所有電源的成敗，決定著功能、電磁干擾 （EMI） 和受熱時(shí)的表現(xiàn)。開(kāi)關(guān)電源布局不是魔術(shù)，并不難，只不過(guò)在最初設(shè)計(jì)階段，可能常常被忽視。然而，因?yàn)楣δ芎?EMI 要求都要必須滿足，所以對(duì)電源功能穩(wěn)定性有益的安排也常常有利于降低 EMI 輻射，那么晚做不如早做。還應(yīng)該提到的是，從一開(kāi)始就設(shè)計(jì)一個(gè)良好的布局不會(huì)增加任何費(fèi)用，實(shí)際上還可以節(jié)省費(fèi)用，因?yàn)闊o(wú)需 EMI 濾波器、機(jī)械屏蔽、花時(shí)間進(jìn)行 EMI 測(cè)試和修改 PC 板。

　　此外，當(dāng)為了實(shí)現(xiàn)均流和更大的輸出功率而并聯(lián)多個(gè) DC/DC 開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器時(shí)，潛在的干擾和噪聲問(wèn)題可能惡化。如果所有穩(wěn)壓器都以相似的頻率工作 （開(kāi)關(guān)），那么電路中多個(gè)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的總能量就會(huì)集中在一個(gè)頻率上。這種能量的存在可能成為一個(gè)令人擔(dān)憂的問(wèn)題，尤其是如果該 PC 板以及其他系統(tǒng)板上其余的 IC 相互靠得很近，易于受到這種輻射能量影響時(shí)。在汽車(chē)系統(tǒng)中，這一問(wèn)題可能尤其麻煩，因?yàn)槠?chē)系統(tǒng)是密集排列的，而且常?？拷?a target="_blank">音頻、RF、CAN 總線和各種雷達(dá)系統(tǒng)。

　　應(yīng)對(duì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器噪聲輻射問(wèn)題

　　在汽車(chē)環(huán)境中，常常在重視散熱和效率的區(qū)域采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)取代線性穩(wěn)壓器。此外，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器一般是輸入電源總線上的第一個(gè)有源組件，因此對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)換器電路的 EMI 性能有顯著影響。

　　EMI 輻射有兩種類(lèi)型：傳導(dǎo)型和輻射型。傳導(dǎo)型 EMI 取決于連接到一個(gè)產(chǎn)品的導(dǎo)線和電路走線。既然噪聲局限于方案設(shè)計(jì)中特定的終端或連接器，那么通過(guò)前述的良好布局或?yàn)V波器設(shè)計(jì)，常常在開(kāi)發(fā)過(guò)程的早期，就可以保證符合傳導(dǎo)型 EMI 要求。

　　然而，輻射型 EMI 卻另當(dāng)別論了。電路板上攜帶電流的所有組成部分都輻射一個(gè)電磁場(chǎng)。電路板上的每一條走線都是一個(gè)天線，每一個(gè)銅平面都是一個(gè)諧振器。除了純正弦波或 DC 電壓，任何信號(hào)都產(chǎn)生覆蓋整個(gè)信號(hào)頻譜的噪聲。即使經(jīng)過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)接受測(cè)試之前，設(shè)計(jì)師也永遠(yuǎn)不會(huì)真正知道輻射型 EMI 將有多么嚴(yán)重。而且在設(shè)計(jì)基本完成以前，不可能正式進(jìn)行輻射 EMI 測(cè)試。

　　濾波器可以在某個(gè)頻率上或整個(gè)頻率范圍內(nèi)衰減強(qiáng)度以降低 EMI。部分能量通過(guò)空間 （輻射） 傳播，因此可增設(shè)金屬屏蔽和磁屏蔽來(lái)衰減。而在 PCB 走線上 （傳導(dǎo)） 的那部分則可通過(guò)增設(shè)鐵氧體磁珠和其他濾波器來(lái)加以控制。EMI 不可能徹底消除，但是可以衰減到其他通信及數(shù)字組件可接受的水平。此外，幾家監(jiān)管機(jī)構(gòu)強(qiáng)制執(zhí)行一些標(biāo)準(zhǔn)以確保符合 EMI 要求。

　　采用表面貼裝技術(shù)的新式輸入濾波器組件的性能好于通孔組件。不過(guò)，這種改進(jìn)被開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器開(kāi)關(guān)工作頻率的提高抵消了。更快速的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了更高的效率、很短的最短接通和斷開(kāi)時(shí)間，因此產(chǎn)生了更高的諧波分量。在開(kāi)關(guān)容量和轉(zhuǎn)換時(shí)間等所有其他參數(shù)保持不變的情況下，開(kāi)關(guān)頻率每增大一倍，EMI 就惡化 6dB。寬帶 EMI 的表現(xiàn)就像一個(gè)一階高通濾波器一樣，如果開(kāi)關(guān)頻率提高 10 倍，就會(huì)增加 20dB 輻射。

　　有經(jīng)驗(yàn)的 PCB 設(shè)計(jì)師會(huì)將熱點(diǎn)環(huán)路設(shè)計(jì)得很小，并讓屏蔽地層盡可能靠近有源層。然而，器件引出腳配置、封裝構(gòu)造、熱設(shè)計(jì)要求以及在去耦組件中存儲(chǔ)充足的能量所需的封裝尺寸決定了熱點(diǎn)環(huán)路的最小尺寸。使問(wèn)題更加復(fù)雜的是，在典型的平面印刷電路板中，走線之間高于 30MHz 的磁或變壓器型耦合將抵消所有濾波器的努力，因?yàn)橹C波頻率越高，不想要的磁耦合就變得越加有效。

　　應(yīng)對(duì)這些 EMI 問(wèn)題的全新解決方案

　　可靠和真正應(yīng)對(duì) EMI問(wèn)題的解決方案是，將整個(gè)電路放在屏蔽盒中。當(dāng)然，這么做增加了成本、增大了所需電路板空間、使熱量管理和測(cè)試更加困難并導(dǎo)致額外的組裝費(fèi)用。另一種經(jīng)常采用的方法是減緩開(kāi)關(guān)邊沿。這么做會(huì)產(chǎn)生一種不想要的結(jié)果，這就是降低效率、增大最短接通和斷開(kāi)時(shí)間、產(chǎn)生有關(guān)的死區(qū)時(shí)間，有損于電流控制環(huán)路可能達(dá)到的速度。

　　凌力爾特不久前推出了 LT8614 Silent Switcher 穩(wěn)壓器，該器件無(wú)需使用屏蔽盒，卻能提供想要的屏蔽盒效果，因此消除了上述缺點(diǎn)。參見(jiàn)圖 1。LT8614 還具有世界級(jí)的低 IQ，工作電流僅為 2.5？A。這是該器件在無(wú)負(fù)載穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)消耗的總電源電流。

　　該器件的超低壓差電壓僅受到內(nèi)部頂端開(kāi)關(guān)的限制。與其他解決方案不同，LT8614 的 RDSON 不受最大占空比和最短斷開(kāi)時(shí)間限制。該器件在出現(xiàn)壓差時(shí)跳過(guò)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)周期，僅執(zhí)行所需的最短斷開(kāi)周期，以保持內(nèi)部頂端開(kāi)關(guān)升壓級(jí)電壓持續(xù)提供，如圖 6 所示。

　　同時(shí)，LT8614 的最低輸入工作電壓典型值僅為 2.9V （最高 3.4V），從而使該器件能在有壓差時(shí)提供 3.3V 軌。在大電流時(shí) LT8614比 LT8610/11 的效率更高，因?yàn)槠淇偟拈_(kāi)關(guān)電阻較小。該器件還可以同步至 200kHz 至 3MHz 的外部頻率。

　　該器件的 AC 開(kāi)關(guān)損耗很低，因此它能夠以高開(kāi)關(guān)頻率工作而效率損失最小。在對(duì) EMI 敏感的應(yīng)用中 （諸如在許多汽車(chē)環(huán)境中常見(jiàn)的那些應(yīng)用） 可以實(shí)現(xiàn)良好的平衡，而且 LT8614 能夠在低于 AM 頻帶 （以實(shí)現(xiàn)甚至更低的 EMI） 或高于 AM 頻帶的頻率上工作。在工作開(kāi)關(guān)頻率為 700kHz 的設(shè)置中，標(biāo)準(zhǔn) LT8614 演示電路板不超過(guò) CISPR25 - Calls 5測(cè)量結(jié)果的噪聲層。

　　圖 2 所示測(cè)量結(jié)果是在電波暗室和以下條件下取得的：12Vin、3.3Vout/2A，固定開(kāi)關(guān)頻率為 700kHz。

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　　為了比較采用 Silent Switcher 技術(shù)的 LT8614 和另一種目前最新的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 LT8610，對(duì) LT8614 和 LT8610 進(jìn)行了測(cè)試。該測(cè)試是在 GTEM 單元中進(jìn)行的，對(duì)兩款器件的測(cè)量采用了標(biāo)準(zhǔn)演示電路板以及相同的負(fù)載、輸入電壓和相同的電感器。