汽車電子中的EMI輻射設計要點 - 全文

　　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） 和受熱時的表現(xiàn)。開關電源布局不是魔術，并不難，只不過在最初設計階段，可能常常被忽視。然而，因為功能和 EMI 要求都要必須滿足，所以對電源功能穩(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。還應該提到的是，從一開始就設計一個良好的布局不會增加任何費用，實際上還可以節(jié)省費用，因為無需 EMI 濾波器、機械屏蔽、花時間進行 EMI 測試和修改 PC 板。

　　此外，當為了實現(xiàn)均流和更大的輸出功率而并聯(lián)多個 DC/DC 開關模式穩(wěn)壓器時，潛在的干擾和噪聲問題可能惡化。如果所有穩(wěn)壓器都以相似的頻率工作 （開關），那么電路中多個穩(wěn)壓器產生的總能量就會集中在一個頻率上。這種能量的存在可能成為一個令人擔憂的問題，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。在汽車系統(tǒng)中，這一問題可能尤其麻煩，因為汽車系統(tǒng)是密集排列的，而且常?？拷?a target="_blank">音頻、RF、CAN 總線和各種雷達系統(tǒng)。

　　應對開關穩(wěn)壓器噪聲輻射問題

　　在汽車環(huán)境中，常常在重視散熱和效率的區(qū)域采用開關穩(wěn)壓器來取代線性穩(wěn)壓器。此外，開關穩(wěn)壓器一般是輸入電源總線上的第一個有源組件，因此對整個轉換器電路的 EMI 性能有顯著影響。

　　EMI 輻射有兩種類型：傳導型和輻射型。傳導型 EMI 取決于連接到一個產品的導線和電路走線。既然噪聲局限于方案設計中特定的終端或連接器，那么通過前述的良好布局或濾波器設計，常常在開發(fā)過程的早期，就可以保證符合傳導型 EMI 要求。

　　然而，輻射型 EMI 卻另當別論了。電路板上攜帶電流的所有組成部分都輻射一個電磁場。電路板上的每一條走線都是一個天線，每一個銅平面都是一個諧振器。除了純正弦波或 DC 電壓，任何信號都產生覆蓋整個信號頻譜的噪聲。即使經過仔細設計，在系統(tǒng)接受測試之前，設計師也永遠不會真正知道輻射型 EMI 將有多么嚴重。而且在設計基本完成以前，不可能正式進行輻射 EMI 測試。

　　濾波器可以在某個頻率上或整個頻率范圍內衰減強度以降低 EMI。部分能量通過空間 （輻射） 傳播，因此可增設金屬屏蔽和磁屏蔽來衰減。而在 PCB 走線上 （傳導） 的那部分則可通過增設鐵氧體磁珠和其他濾波器來加以控制。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)管機構強制執(zhí)行一些標準以確保符合 EMI 要求。

　　采用表面貼裝技術的新式輸入濾波器組件的性能好于通孔組件。不過，這種改進被開關穩(wěn)壓器開關工作頻率的提高抵消了。更快速的開關轉換產生了更高的效率、很短的最短接通和斷開時間，因此產生了更高的諧波分量。在開關容量和轉換時間等所有其他參數(shù)保持不變的情況下，開關頻率每增大一倍，EMI 就惡化 6dB。寬帶 EMI 的表現(xiàn)就像一個一階高通濾波器一樣，如果開關頻率提高 10 倍，就會增加 20dB 輻射。

　　有經驗的 PCB 設計師會將熱點環(huán)路設計得很小，并讓屏蔽地層盡可能靠近有源層。然而，器件引出腳配置、封裝構造、熱設計要求以及在去耦組件中存儲充足的能量所需的封裝尺寸決定了熱點環(huán)路的最小尺寸。使問題更加復雜的是，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，因為諧波頻率越高，不想要的磁耦合就變得越加有效。

　　應對這些 EMI 問題的全新解決方案

　　可靠和真正應對 EMI問題的解決方案是，將整個電路放在屏蔽盒中。當然，這么做增加了成本、增大了所需電路板空間、使熱量管理和測試更加困難并導致額外的組裝費用。另一種經常采用的方法是減緩開關邊沿。這么做會產生一種不想要的結果，這就是降低效率、增大最短接通和斷開時間、產生有關的死區(qū)時間，有損于電流控制環(huán)路可能達到的速度。

　　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。參見圖 1。LT8614 還具有世界級的低 IQ，工作電流僅為 2.5？A。這是該器件在無負載穩(wěn)壓狀態(tài)時消耗的總電源電流。

　　該器件的超低壓差電壓僅受到內部頂端開關的限制。與其他解決方案不同，LT8614 的 RDSON 不受最大占空比和最短斷開時間限制。該器件在出現(xiàn)壓差時跳過開關斷開周期，僅執(zhí)行所需的最短斷開周期，以保持內部頂端開關升壓級電壓持續(xù)提供，如圖 6 所示。

　　同時，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提供 3.3V 軌。在大電流時 LT8614比 LT8610/11 的效率更高，因為其總的開關電阻較小。該器件還可以同步至 200kHz 至 3MHz 的外部頻率。

　　該器件的 AC 開關損耗很低，因此它能夠以高開關頻率工作而效率損失最小。在對 EMI 敏感的應用中 （諸如在許多汽車環(huán)境中常見的那些應用） 可以實現(xiàn)良好的平衡，而且 LT8614 能夠在低于 AM 頻帶 （以實現(xiàn)甚至更低的 EMI） 或高于 AM 頻帶的頻率上工作。在工作開關頻率為 700kHz 的設置中，標準 LT8614 演示電路板不超過 CISPR25 - Calls 5測量結果的噪聲層。

　　圖 2 所示測量結果是在電波暗室和以下條件下取得的：12Vin、3.3Vout/2A，固定開關頻率為 700kHz。

　　.

　　為了比較采用 Silent Switcher 技術的 LT8614 和另一種目前最新的開關穩(wěn)壓器 LT8610，對 LT8614 和 LT8610 進行了測試。該測試是在 GTEM 單元中進行的，對兩款器件的測量采用了標準演示電路板以及相同的負載、輸入電壓和相同的電感器。

　　可以看到，與 LT8610 已經非常好的 EMI 性能相比，采用 LT8614 Silent Switcher 技術的 LT8614 實現(xiàn)了多達 20dB 的改進，尤其是在更難以管理的高頻區(qū)。這使得可以實現(xiàn)更簡單、更緊湊的設計，與其他敏感系統(tǒng)相比，在總體設計上，LT8614 開關電源對濾波的要求更低。

　　在時間域，LT8614 在開關節(jié)點邊沿上表現(xiàn)得非常好，如圖 4 所示。即使在每格4ns的情況下，LT8614 Silent Switcher 穩(wěn)壓器顯示出非常小的振鈴 （參見圖 3 中的通道 2）。LT8610 的振鈴也很好地衰減了 （圖 3 通道 1），但是可以看到這與 LT8614 （通道 2） 相比，LT8610 熱點環(huán)路存儲了較高能量。

　　圖 5 顯示了 13.2V 輸入的開關節(jié)點。可以看到，LT8614 與理想方波的偏離極小，如通道 2 所示。圖 3、4 和 5 中的所有時間域測量結果都是用 500MHz Tektronix P6139A 探頭測得的，封閉的探頭尖端屏蔽罩連接至 PCB GND 平面，測試均在標準演示電路板上進行。

　　除了面向汽車環(huán)境的 42V 絕對最大輸入電壓額定值，器件的壓差表現(xiàn)也非常重要。常常需要支持至關重要的 3.3V 邏輯電源以應對冷車發(fā)動情況。在這種情況下，LT8614 Silent Switcher 穩(wěn)壓器保持接近 LT861x 系列的理想表現(xiàn)。LT8610/11/14 器件不是像其他器件那樣提供更高的欠壓閉鎖電壓和最大占空比箝位，而是以低至 3.4V 的電壓工作，而且只要有必要，就跳過若干周期，如圖 6 所示。這樣就產生了理想的壓差表現(xiàn)，如圖 7 所示。

　　LT8614 的最短接通時間為非常短的 30ns，即使在高開關頻率時，這也允許大的降壓比。因此，該器件可以從高達 42V 的輸入，經過單次降壓提供邏輯內核電壓。

　　結論

　　眾所周知，汽車環(huán)境的 EMI 問題在最初設計階段需要仔細注意，以確保一旦系統(tǒng)開發(fā)完成能通過 EMI 測試。直到不久前，尚沒有一種確定的方法保證，通過恰當?shù)剡x擇電源 IC，就能夠輕松解決 EMI 問題?，F(xiàn)在，由于 LT8614 的推出，情況發(fā)生了變化。與目前最新的開關穩(wěn)壓器相比，LT8614 Silent Switcher 穩(wěn)壓器的 EMI 低 20dB 以上，同時 LT8614 還完美地提高了轉換效率。也就是說，在不犧牲同一電路板區(qū)域的最短接通和斷開時間或效率的前提下，在高于 30MHz 的頻率范圍內，EMI 改善了 10 倍。無需特殊組件或屏蔽就可以實現(xiàn)這么大的改進，這意味著在開關穩(wěn)壓器設計領域實現(xiàn)了重大突破。這是一款突破性器件，使汽車系統(tǒng)設計師能夠將其產品的噪聲性能推進到一個全新水平。