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如何降低电路“热回路”影响,实现低 EMI 高效电源器件设计

【导读】随着电子元器件向小型化、轻量化、数字化和高密度集成化方向发展,灵敏度越来越高,为此国际组织提出了一系列技术规章,要求电子产品符合严格的磁化系数和发射准则,即具有电磁兼容性EMC。本文以ADI器件为例,介绍如何通过控制电路热回路以降低器件EMI并符合EMC标准的电路设计参考思路。

随着电子元器件向小型化、轻量化、数字化和高密度集成化方向发展,灵敏度越来越高,为此国际组织提出了一系列技术规章,要求电子产品符合严格的磁化系数和发射准则,即具有电磁兼容性EMC。本文以ADI器件为例,介绍如何通过控制电路热回路以降低器件EMI并符合EMC标准的电路设计参考思路。

“热回路”中的真真假假

开关稳压器需要不断地开关电流,这些电流一般来说会比较大。每当电流流动时,会产生磁场。如果快速开关大电流,就会产生交变磁场。此外,如果开关电流时,路径中存在寄生电感,就会产生电压失调。电流会容性耦合到相邻的电路部件中,并增加电源的噪声辐射。因此,开关电流是导致产生噪声的主要原因,下图显示了简化的降压转换器拓扑结构,存在连续电流的线路都用蓝色表示,快速开关电流的线路都用红色表示。红色回路看起来像一个电流回路,因此被称为回路,它涉及到快速开关电流。但事实上,热回路并不是一个独立的电流回路,而是由两个真实的电流回路组成的虚拟电流回路。红色回路从来没有真正的电流流过,因为两个开关从来不会同时打开。它只是单条线路的组合,在特定时间会有电流流过,在其他时间则没有电流流过。

如何降低电路“热回路”影响,实现低 EMI 高效电源器件设计

为了减少EMI,必须确定电源电路中的热回路(高di/dt回路)并减少其影响。如下图所示,在标准降压转换器的一个周期内,当M1关闭而M2打开时,交流电流沿着蓝色回路流动。在M1打开而M2关闭的关闭周期中,电流沿着绿色回路流动。产生最高EMI的回路并非完全直观可见,它既不是蓝色回路也不是绿色回路,而是传导全开关交流电流(从零切换到IPEAK,然后再切换回零)的紫色热回路。

如何降低电路“热回路”影响,实现低 EMI 高效电源器件设计

降压转换器的热回路

导致电磁噪声和开关振铃的是开关稳压器热回路中的高di/dt和寄生电感。要减少EMI并改进功能,需要尽量减少紫色回路的辐射效应。热回路的电磁辐射骚扰随其面积的增加而增加,因此,如果可能的话,将热回路的PC面积减小到零,并使用零阻抗理想电容可以解决该问题。

从1代到2代,Silent Switcher技术降噪能力再升级

开关稳压器的热回路因开关稳压器的拓扑结构而异,其设计应尽可能窄小紧凑,以减少噪音产生和传播。ADI公司提供的Silent Switcher技术通过将输入电容集成到IC封装,尽可能缩小关键热回路,虽然不可能完全消除热回路区域,但是可以将热回路分成极性相反的两个回路。通过产生两个极性相反的磁场,从而大幅抵消辐射噪声。

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Silent Switcher稳压器中的磁场抵消

改善EMI的另一种方法是缩短热回路中的导线,这可以通过放弃将芯片连接至封装引脚的传统键合线方法来实现。在封装中倒装硅芯片,并添加铜柱。通过缩短内部FET到封装引脚和输入电容的距离,可以进一步缩小热回路的范围。

如何降低电路“热回路”影响,实现低 EMI 高效电源器件设计

LT8610键合线的拆解示意图

遵循这一设计思想,如何确保在设计及整个生产过程中的正确布局,答案就是Silent Switcher 2稳压器。Silent Switcher 2稳压器能够进一步减少EMI,通过将电容(VIN电容、INTVCC和升压电容)集成到LQFN封装中,消除了EMI性能对PCB布局的敏感性,从而可以放置到尽可能靠近引脚的位置。所有热回路和接地层都在内部,从而将EMI降至最低,并使解决方案的总占板面积更小。

LT8609S就是采用Silent Switcher 2技术的典型开关稳压器,其独特的架构运用两个内部输入电容器以及内部BST和INTVCC电容器,以最大限度减小热环路面积。由于可提供控制得非常好的开关边沿,因此LT8609S的设计显著地降低了EMI/EMC辐射,其内部结构具有一个整体接地平面,并用铜柱代替了接合线。这种改善的EMI /EMC性能对电路板布局不敏感,从而简化了设计并降低了风险,即使在采用两层PC板时也不例外。在整个负载范围内开关频率为 2MHz 的情况下,LT8609S 可轻松通过汽车 CISPR 25 的 Class 5 峰值 EMI 限制。该器件也提供了扩展频谱频率调制功能,以进一步降低 EMI / EMC 水平。

如何降低电路“热回路”影响,实现低 EMI 高效电源器件设计

LT8609S的同步整流在开关频率为2MHz时提供高达93%的效率。其3.0V至42V输入电压范围非常适合汽车和工业应用。内部高效率开关可向低至0.774V的电压提供高达2A连续输出电流和3A峰值负载。LT8609S突发模式运行的静态电流仅为2.5µA,非常适合诸如汽车始终保持接通系统等应用,这些系统需要很低的静态电流来延长电池运行寿命。LT8609S 的独特设计在所有条件下保持了仅为400mV (在1.5A)的最小压差电压,从而使该器件在汽车冷车发动等情况下表现出色。此外,仅为45ns的快速最短接通时间实现了从16V输入到1.5V输出的2MHz恒定频率切换,从而优化了效率,同时可避开关键噪声敏感频段。LT8609S 的16引线、3mm x 3mm LQFN封装和高开关频率允许使用小型外部电感器和电容器,因此可构成占板面积紧凑和高热效率的解决方案。

本文小结

熟练的PCB设计者在设计时应考虑很小的热回路并使用尽可能靠近主动层的屏蔽接地层。然而,在去耦组件中储存充足能量所需的组件针脚布局、封装结构、热设计要求和封装尺寸决定了热回路的最小尺寸。以LT8609S为典型的ADI一系列Silent Switcher 2技术电源器件通过设计与封装工艺考量尽可能降低热回路影响,其功能和优势将使开关模式电源设计更容易满足CISPR 32和CISPR 25等各种抗噪标准要求。

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