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电源设计如何以20~30dB的裕量满足CISPR 22和25规范的EMI性能?

时间:2019-08-26 作者:ADI 阅读:
随着人们对能量效率要求的提高,使用多个开关稳压器的电源系统日益普及,而伴随着稳压器数目的增加以及系统性能要求提高,EMI的影响也在加剧。因此,PCB板的布局设计决定了每一种电源设计的成败。

无论是工业4.0、5G通信,还是无人驾驶汽车,科技的最新应用发展都对系统性能提出了更高的要求,而作为任何电子系统设计不可或缺的部分,电源的表现对整体系统性能贡献同样良多。高性能系统离不开一块高性能的电源,而电磁干扰(EMI)特性则是其中最关键的性能之一。

随着人们对能量效率要求的提高,使用多个开关稳压器的电源系统日益普及,而伴随着稳压器数目的增加以及系统性能要求提高,EMI的影响也在加剧。因此,PCB板的布局设计决定了每一种电源设计的成败。人们需要一种行之有效的方法,从一开始就削弱这些潜在的EMI威胁,方能确保电源安静而稳定。

EMI如何产生、如何消除?看看这个典型的电路分析

最基本的电源拓扑之一是降压稳压器,即降压同步DC-DC降压电路,如图1所示。该电路包含一个输入电容和输出电容,切换输入和输出。但是在这个电路的各级,从DC转换到AC然后再转回DC时,出现了电磁干扰(EMI)。在M1关闭而M2打开的开启周期中,交流电流在实线蓝色回路中流动。在关闭周期中,当M1打开而M2关闭时,交流电流在绿色虚线回路中流动。大多数人难以理解,产生最高EMI的回路既不是实线蓝色回路,也不是虚线绿色回路,而是虚线红色回路中流动的全开关交流电流,它从零变到峰值电流,然后回落到零。这是EMI的真正来源,这里就是电路产生寄生效应的地方。

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同步降压稳压器原理图

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,需要尽量减少虚线红色回路的辐射效应。如果我们能够将虚线红色回路的PC电路板面积减少到零,并且能够买到具有零阻抗的理想电容,就能解决这个问题。然而,在现实世界中,设计工程师所能做的就是找到一个最佳的折中方案!

那么,这些高频噪声到底是从哪里来的呢?其实是在电子电路中,通过寄生电阻、电感和电容耦合,在开关转换过程中,产生了高频谐波。知道了是哪里产生噪声,我们又该如何降低这个因为开关稳压器本身性质而产生的噪声呢?传统方法是减慢拓扑中使用的FET的边沿速率,通过减慢内部开关驱动器或从外部添加缓冲器,就可以实现。问题在于,这样做的话会对器件的效率产生负面影响,因为增加了开关损耗——特别是当开关稳压器在高开关频率(如2MHz)下运行时。问题来了,我们为何要在2MHz的频率下运行呢?答案是,开关频率每增加一倍,输出电感值和输出电容值都会减半。因此,高开关频率可以减小尺寸,降低成本。

减小辐射,也可以使用屏蔽,但这会增加成本和时间,并需要更多设计诀窍。还可采用展频(SSFM)技术,通过系统时钟来降低噪声,但这样在已知范围内会使系统时钟抖动。或者就使用ADI的Silent Switcher技术,它集高效率、高开关频率和低EMI于一体而无任何弊端。

Silent Switcher技术是这样降低电路噪声的

Silent Switcher技术打破了EMI与效率之间的权衡,不必降低边沿速率,可以快速进行切换。以LT8610为例,这个开关稳压器只有一个输入。它是单片器件(内部有FET),包含电感、输入和输出电容,请注意,其左上角有一个输入引脚(VIN)。实现Silent Switcher的关键是使用一种被称之为磁场抵消的技术。为了实现磁场抵消,相对两侧必须有相反的磁场。那么如何实现这个目标呢?答案是在芯片另一侧的VIN和接地引脚之间放置两个输入电容即可消除磁场。因此我们可以看到,LT8614在封装的另一侧有两个VIN引脚和两个接地引脚。这就是Silent Switcher能够实现低噪声的真正原因,从根本上说,一切都与这种布局有关。

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如何将LT8610转换为Silent Switcher器件——LT8614

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滤波电容安置在IC另一侧的VIN和接地引脚之间

LT8614是ADI的第一款Silent Switcher器件,其通过使用铜柱倒装芯片封装有效降低了寄生电感。它不仅能从器件中散热,而且还能通过这种封装实现更高的电流密度,同时外形尺寸保持不变。此外,还有反向VIN、接地和输入电容,可消除磁场(适用右手法则)以降低EMI辐射。由于不需要使用焊线键合式装配技术所要求的长键合线,不会产生大的寄生电阻和电感,从而可减小封装寄生电感。两个对称分布的输入热回路产生的反向磁场相互抵消,并且电回路没有净磁场。

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Silent Swicther器件的工作原理

可以看到,现在所有这些热环路都被包含在内,其EMI噪声显著降低,这使人们能够通过这种新的开关设计获得更好的性能。通过测试显示,采用Silent Switcher技术后,LT8614辐射EMI性能比规范要求低20到30dB,这对于辐射发射来说是一个重大改进。

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Silent Switcher实现超低EMI开关电源

除了做到这一切之外,第一代Silent Switcher器件同样能够实现高效率转换。但是,在使用过程中,有时候人们并不能够时刻注意到这种外部布局的重要性。因此,ADI的设计人员提出了解决此问题的最佳解决方案——Silent Switcher 2架构。

高频率和高效率的结合,Silent Switcher 2架构

采用Silent Switcher 2技术,设计人员将二极管和内部电容(VIN电容、IntVCC和升压电容)安装在层压衬底上并集成在全新的LQFN封装内,同时尽可能靠近引脚放置。这样既将所有热回路和接地层都包括在内降低了EMI,又因为器件高度集成的缘故使性能得到了优化。

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具有更高的电容集成度的Silent Switcher 2器件

Silent Switcher 2技术同时提高了散热性能。在高电流密度系统中,不管是5A、6A甚至8A的输出,LQFN倒装芯片封装上的多个大尺寸接地裸露焊盘都能够保证封装和PCB的散热。由于消除了高电阻键合线,转换效率同样也有了较大的提高。Silent Switcher 2的EMI性能能够轻松满足辐射EMI性能CISPR 22和25规范,并且拥有20—30dB的裕量,因此可以保证在使用过程中的噪声非常低,电源系统的抗干扰性能够达到非常理想的程度。

一般而言,Silent Switcher 2架构高开关频率下同样能够获得高效率,这两个指标在以前是相互排斥的。由于所有电容都内置用以降低EMI,PCB布局敏感性问题不再存在,因此其性能也几乎不受印制板材质的影响,不论是使用FR2还是FR4,得到的结果几乎相同。在受限于成本问题而不得不使用FR2的应用中,结果实际上同样会非常好,同时还可以节省电路板空间和层数。

本文总结

为了应对很难实现的电源超低EMI挑战,ADI的Silent Switcher技术特别对噪声和干扰指标进行了深度优化,从工程物理的角度实现了突破和创新。它在芯片设计上做了两个反向的电优化,两个反向回路的最大好处是产生的磁力线是闭合的,对外界EMI的干扰就会小很多。在微观上,不再用金线去绑定内核,而是用倒装的方式缩减电流,能够让EMI降到最低。通过一系列工艺优化从而得到非常好的EMI性能,达到满足CISPR25 Class 5的EMI标准。

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