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采用DC/DC降压稳压器优化汽车的EMI

【导读】随着汽车配备越来越多的传感器和功能,汽车中的电子含量不断增加,功率水平也不断提高。过去依赖低压差线性稳压器(LDO)的工程师现在可能需要使用降压拓扑来满足系统的高效率要求。

随着汽车配备越来越多的传感器和功能,汽车中的电子含量不断增加,功率水平也不断提高。过去依赖低压差线性稳压器(LDO)的工程师现在可能需要使用降压拓扑来满足系统的高效率要求。

降压器在更高的效率下可以提供比典型LDO更大的功率,但有一个明显缺点——它的开关特性会产生电磁干扰(EMI),这对于汽车应用而言可能是一个严重的问题。幸运的是,工程师可以使用许多技巧和工具来降低EMI,包括优化电路板布局,利用IC功能以及增加电路。

DC / DC转换器会因输入纹波,附近电路的电磁耦合以及电磁辐射而产生EMI。EMI会干扰AM / FM无线电接收器和其他敏感设备,例如主机或高级驾驶员辅助系统(ADAS)传感器。严重的EMI会在无线电和主机音频中产生静态噪声或其他类型的噪声,干扰ADAS传感器,并降低其他系统的性能。

为了防止这种严重的干扰,工程师需要设计符合官方标准的系统,例如CISPR 25 Class5。由于不良的布局会导致设备无法通过标准机构设定的EMI限制,因此在电路板布局期间需遵循良好的布局优化实践。降压转换器的最重要做法是:

通过快速变化的电压(高dv / dt)减小节点的表面积。
通过快速变化的电流(高di / dt)减小电流环路的面积。

这两个基本规则将决定工程师在何处放置某些组件,以最大程度地降低EMI。

不幸的是,即使是最优化的PCB布局也无法防止所有与EMI相关的问题。此外,由于电路板的尺寸,形状或时间的限制,通常无法尽可能地优化EMI的布局。例如,非常紧凑的布局可能要求您将功率电感器放置在电路板的底部,或者将输入电容器放置在距离IC稍远的地方。

这些和其他布局限制会导致EMI,从而降低系统性能。即使有经验和异常谨慎,板卡也可能需要进一步优化。这些额外的板卡修订需要时间和金钱。那么,除了优化布局以使应用的EMI降至最低之外,您还能做什么?

绕过电路板布局的限制

如果无法针对最佳EMI优化布局,则某些DC / DC转换器会在设备级别提供许多封装和功能改进,以帮助最大程度地降低EMI并使其更容易满足CISPR 25 Class5限制。这些功能使电路板设计与布局无关。换句话说,它们可以帮助弥补布局方面的缺陷。

例如,扩频是一种扩展谐波能量以减少峰值和平均EMI测量值的功能。通过对尖峰时钟进行调制处理,使其从一个窄带时钟变为一个具有边带的频谱,将尖峰能量分散到展频区域的多个频率段,从而达到降低尖峰能量,抑制EMI的效果。它通过抖动开关频率来扩展频谱密度,例如,在±2%的范围内扩频,将看到谐波能量在第25个和更高的谐波上完全混合或重叠,而不是固定频率,这将使谐波尖峰保持在基频上。能量在较高的频率中均匀分布,从而导致较低的测量值包络,仅需较少的滤波和较少的布局优化,从而节省了时间和金钱。

摆率控制是有助于改善EMI性能的另一个功能,EMI的主要来源是开关环。开关环是由高边FET的快速导通引起的,它会快速从输入电容器中拉出电流,输入寄生回路电感和低边FET寄生电容的共振,会产生的数百兆赫的振铃噪音。通过减慢上升时间会减慢电流消耗,从而减少振铃和EMI。通过增加一个与启动电容器串联的电阻(几欧姆的数量级)可以减慢上升时间,并且某些器件具有专用的启动电阻器引脚。这里需要权衡:放慢FET的频率可使EMI最小化,但也会增加开关损耗,从而降低效率。

此外,还有一些有助于抑制EMI的封装技术。TI的HotRod封装就是一个例子,该封装消除了内部键合线,如图1所示。不连续的电流会导致开关节点上数百兆赫兹的振铃,该振铃会耦合并辐射,从而引起EMI。去除输入电容器不连续电流的高di / dt环路路径中的键合线可降低环路电感。从而减少了振铃,降低了EMI。HotRod系列产品包括了LM61460-Q1和LM53635-Q1等器件。

采用DC/DC降压稳压器优化汽车的EMI

图1标准QFN和TI的HotRod QFN的区别。资料来源:德州仪器

其他封装级功能包括优化的引脚排列。器件可以通过整理引脚位置来提高EMI性能,从而使关键路径(例如输入电容器)保持尽可能小。器件通常将VIN和GND(或PGND)引脚彼此相邻放置,以便为电容器的连接提供最佳位置。

更进一步,采用对称的引脚排列。将VIN / PGND对称地放置在封装的任一侧,可使输入环路磁场自成一体,从而进一步降低了EMI。许多DC / DC降压转换器,例如LMR33630,LMR36015,LM61460和LMQ61460-Q1具有对称的VIN / PGND引脚对(图2b )。

集成输入电容器

下一代采用EMI优化封装的产品采用集成电容器来进一步减小输入寄生电感。LMQ61460-Q1的每一侧均包含两个集成输入旁路电容器,每个VIN / PGND对均有一个。这些电容器是横跨在图2a所示的右上和右下引脚对(VIN和PGND)上的深色矩形。图2b显示了该器件的引脚分配,以供参考。

最小化高频EMI尤为重要,因为汽车应用中常见的更高的输入电压和更高的输出电流会加剧该领域的问题。

采用DC/DC降压稳压器优化汽车的EMI

图2 利用X射线,显示了带有集成电容器(a)的LMQ61460-Q1降压型低噪声转换器(可将其与引脚参考(b))。资料来源:德州仪器

的确,EMI在汽车应用中提出了挑战,但设计工程师如果遇到电路板布局约束,也并非没有选择。从战略性器件引脚排列到集成特性(例如低电感封装,摆率控制,扩展频谱和集成电容器),有许多方法可以解决这一难题。

这些功能使工程师可以放宽对EMI布局的严格优化,以换取更全面的布局设计,从而为优化性能留出更多空间,以获得更好的热性能和/或更小的解决方案尺寸。这些功能可改善您的设计,以满怀信心地满足标准机构设定的EMI限制。

(来源:EEWORLD,编译自EDN,作者 TI 汽车电子市场经理Zachary Imm)

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