【導(dǎo)讀】隨著電子系統(tǒng)變得越來(lái)越密集并且互連程度越來(lái)越高，降低電磁干擾 (EMI) 的影響日益成為一個(gè)關(guān)鍵的系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮因素。本白皮書分析了開關(guān)模式電源中的 EMI，并提供了一些可幫助設(shè)計(jì)人員快速且輕松地通過(guò)業(yè)界通用 EMI 測(cè)試的技術(shù)示例。
1 什么是 EMI？
EMI 是一種電磁能量（開關(guān)電流和電壓的不良副產(chǎn)物），它來(lái)自多種物理現(xiàn) 象，可在嚴(yán)格的 EMI 測(cè)試中表現(xiàn)出來(lái)。
2 降低 EMI 的常規(guī)方法
降低 EMI 是一項(xiàng)需要進(jìn)行各種權(quán)衡的棘手工作。降低 EMI 的 常規(guī)方法包括使用大型且昂貴的濾波器或降低開關(guān)壓擺率，該技術(shù)會(huì)直接影響效率。
3 降低 EMI 的創(chuàng)新技術(shù)
為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)模式電源的所有優(yōu)勢(shì)，EMI 降低技術(shù)對(duì)于平衡傳統(tǒng)的權(quán)衡要素而言 至關(guān)重要。這需要采用適用于低頻和高 頻 EMI 的創(chuàng)新解決方案以及精確的建模技術(shù)。
鑒于 EMI 可能在后期嚴(yán)重阻礙設(shè)計(jì)進(jìn)度，浪費(fèi)大量時(shí)間和資金，因此必須在設(shè)計(jì)之初就考慮 EMI 問(wèn)題。
開關(guān)模式電源 （SMPS） 是現(xiàn)代技術(shù)中普遍使用的電路之一，在大多數(shù)應(yīng)用中，該電路可提供比線性穩(wěn)壓器更大的效率。但這種效率提高是有代價(jià)的，因?yàn)?SMPS 中功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET） 的開關(guān)會(huì)產(chǎn)生大量 EMI，進(jìn)而影響電路可靠性。EMI 主要來(lái)自不連續(xù)的輸入電流、開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的快速壓擺率以及由電源環(huán)路中寄生電感引起的開關(guān)邊沿額外振鈴。
下頁(yè)圖 1 以降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)錇槔?，說(shuō)明了不同頻帶下各個(gè)因素的影響。隨著設(shè)計(jì)壓力不斷提升，通過(guò)提高開關(guān)頻率來(lái)降低尺寸和成本，以及通過(guò)增大壓擺率來(lái)提高效率，使 EMI 問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。因此，有必要采用不影響電源設(shè)計(jì)、同時(shí)具有成本效益且易于集成的 EMI 緩解技術(shù)。
什么是 EMI？
在要求電磁兼容性（EMC）的系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)降低干擾源組件的干擾性和易受干擾的組件的敏感性。當(dāng)終端設(shè)備制造商集成來(lái)自不同供應(yīng)商的組件時(shí)，確保具有干擾性的組件和易受干擾的電路能夠互不影響的唯一方法是建立一套共同的規(guī)則，其 中，具有干擾性的組件的干擾性被限制在一定范圍之內(nèi)，使得易受干擾的電路能夠在此范圍內(nèi)降低影響。
這些規(guī)則是根據(jù)業(yè)界通用規(guī)范（如適用于汽車行業(yè)的國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì) （CISPR） 25 和適用于多媒體設(shè)備的 CISPR 32）建立的。CISPR 標(biāo)準(zhǔn)決定了任何 EMI 緩解技術(shù)的最終性能，因此對(duì)于 EMI 設(shè)計(jì)至關(guān)重要。由于SMPS是典型的電磁干擾源， 因此本白皮書的重點(diǎn)是討論如何減少此類干擾。如需獲取 EMI 標(biāo)準(zhǔn)的完整列表，請(qǐng)參閱白皮書《電源的傳導(dǎo) EMI 規(guī)格概述》和《電源的輻射 EMI 規(guī)格概述》。
圖 1.SMPS 中的 EMI 源示例。
除了解給定應(yīng)用的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)之外，了解如何測(cè)量 EMI 也很重要，這將幫助您深入了解如何降低 EMI。EMI 測(cè)量通常分為傳導(dǎo) EMI 測(cè)量和輻射EMI 測(cè)量，顧名思義，這同時(shí)說(shuō)明了 EMI 的測(cè)量方法和產(chǎn)生機(jī)理。盡管傳導(dǎo)發(fā)射通常與較低的頻 率 （《30MHz） 相關(guān)，輻射發(fā)射通常與較高的頻率（》30MHz） 相關(guān)，但這兩者之間的區(qū)別并不是那么簡(jiǎn)單，因?yàn)閭鲗?dǎo)頻率范圍和輻射頻率范圍有所重 疊。
傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)量旨在量化從器件產(chǎn)生并返回到其電源的 EMI。對(duì)于許多應(yīng)用而言，降低這些發(fā)射至關(guān)重要，因?yàn)橥浑娫淳€通常都連接著許多其他敏感電路。在現(xiàn)代汽車中，長(zhǎng)線束的數(shù)量不斷增加，因此降低長(zhǎng)線束的傳導(dǎo) EMI 尤為重要。
圖 2 顯示了用于傳導(dǎo)發(fā)射的通用測(cè)試設(shè)置，包括電源、線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) （LISN）、EMI 接收器、電源線和被測(cè)器件 （DUT）。LISN 扮演著關(guān)鍵角色， 可充當(dāng)?shù)屯V波器，確保 EMI 測(cè)量的可重復(fù)性和可比性，并為 DUT 提供精確的阻抗。圖 2 還說(shuō)明了將傳導(dǎo)發(fā)射細(xì)分為共模 （CM） 電流和差模 （DM） 電流。DM 電流在電源線與其返回路徑之間流動(dòng)， 是較低頻率范圍內(nèi)的主要因素。CM 電流在每條電源線與接地之間流動(dòng)，是較高頻率范圍內(nèi)的主要因素。
輻射 EMI 測(cè)量的設(shè)置與傳導(dǎo) EMI 測(cè)量類似，主要區(qū)別在于前者的 EMI 接收器不是直接連接到 LISN， 而是連接到附近的天線。SMPS 中的輻射能量來(lái)自產(chǎn)生磁場(chǎng)的快速瞬態(tài)電流環(huán)路以及產(chǎn)生電場(chǎng)的快速瞬態(tài)電壓表面。由于產(chǎn)生輻射磁場(chǎng)的電流環(huán)路也產(chǎn)生 DM 傳導(dǎo)發(fā)射，并且產(chǎn)生輻射電場(chǎng)的電壓表面也產(chǎn)生 CM 傳導(dǎo)發(fā)射，因此許多 EMI 緩解技術(shù)都可以降低傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射，但可能專門針對(duì)其中一項(xiàng)。
通常，通過(guò)大型無(wú)源濾波器來(lái)緩解較低頻率的發(fā) 射，會(huì)增加解決方案的電路板面積和成本。高頻發(fā)射在測(cè)量、建模和緩解方面面臨著不同的挑戰(zhàn)，這主要是其寄生性質(zhì)導(dǎo)致的。常見的高頻發(fā)射緩解技術(shù)包括控制壓擺率和減小寄生效應(yīng)。圖 3 總結(jié)了本白皮書中包含的緩解技術(shù)、這些技術(shù)適用的頻帶以及 CISPR 25 標(biāo)準(zhǔn)中的頻率范圍示例。
圖 2.用于傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)量的通用測(cè)試設(shè)置，其中 DM和 CM 環(huán)路分別以青色和紅色突出顯示。
圖 3.本白皮書中介紹的 EMI 緩解技術(shù)匯總。
降低 EMI 的常規(guī)方法（面向低頻和高頻范圍）
當(dāng)其他系統(tǒng)共享公共物理觸點(diǎn)時(shí)，由 SMPS 中不連續(xù)電流產(chǎn)生的輸入電壓紋波可能會(huì)傳導(dǎo)到這些系統(tǒng)中。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)木徑獯胧?，那么過(guò)大的輸入或輸出電壓紋波可能會(huì)影響電源、負(fù)載或相鄰系 統(tǒng)的運(yùn)行。過(guò)去，您可以使用基于無(wú)源電感電容器（LC） 的 EMI 濾波器來(lái)顯著減小輸入紋波，如圖 4 所示。LC 濾波器可提供滿足 EMI 規(guī)格所必需的衰減。代價(jià)是會(huì)使系統(tǒng)的尺寸和成本增大（具體取決于所需的衰減），這將降低總功率密度。此外，用于輸入 EMI 濾波器設(shè)計(jì)的大型電感器會(huì)因其自諧振頻率較低而在高于 30MHz 的頻率范圍內(nèi)無(wú)法衰減，從而需要鐵氧體磁珠等附加組件處理高頻衰減。
緩解 EMI 的另一種傳統(tǒng)方法是使用擴(kuò)頻（或時(shí)鐘抖動(dòng)）來(lái)調(diào)制 SMPS 的開關(guān)頻率，這將降低與基本開關(guān)頻率及其諧波相關(guān)的頻譜峰值，但代價(jià)是使本底噪聲增大，如圖 5 所示。
擴(kuò)頻是一項(xiàng)有吸引力的技術(shù)，因?yàn)樗子趯?shí)現(xiàn)并且您可以將其與其他 EMI 降低方法結(jié)合使用。但該技術(shù)不是萬(wàn)靈藥，因?yàn)樗荒芟鄬?duì)降低現(xiàn)有的 EMI， 并且根據(jù)其特性，其性能會(huì)在開關(guān)頻率較低時(shí)降 低。此外，您通常只能將擴(kuò)頻應(yīng)用于單個(gè)頻帶，原因?qū)⒃谙乱还?jié)中說(shuō)明。
為了更大程度地減小濾波電感器的尺寸，您可以為 SMPS 設(shè)計(jì)選擇更高的開關(guān)頻率。不過(guò)，對(duì)于切換器操作，需避免使用敏感頻帶。例如，以前汽車電源解決方案的推薦開關(guān)頻率一直處于 AM 以下頻帶（約 400kHz）。通過(guò)選擇較高的開關(guān)頻率來(lái)顯著減小電感器尺寸，意味著您必須避開整個(gè) AM 頻帶（525kHz 至 1，705kHz），從而在更嚴(yán)格的汽車 EMI 頻帶上不會(huì)產(chǎn)生基本的開關(guān)雜散。
圖 4.典型的用于降低 EMI、基于 LC 的無(wú)源濾波器，以及實(shí)現(xiàn)的衰減。
圖 5.采用擴(kuò)頻技術(shù)和未采用擴(kuò)頻技術(shù)的 SMPS 頻譜示例。
德州儀器 （TI） 開關(guān)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率高于1.8MHz，可以滿足 EMI 頻帶的要求。為降低開關(guān)損耗而提高開關(guān)頻率的措施對(duì)開關(guān)轉(zhuǎn)換上升和下降時(shí)間的要求更為嚴(yán)格。不過(guò)，具有很短上升和下降時(shí)間的開關(guān)節(jié)點(diǎn)即使在接近第 100 次諧波的高頻率下，也能保持較高的能量（如圖 6 所示），這再次突出了高效率與低 EMI 之間的權(quán)衡。
由于直流/直流轉(zhuǎn)換器的電源路徑中存在寄生電感， 因此高壓擺率還會(huì)導(dǎo)致高頻率開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴，這進(jìn)一步增加了振鈴頻率及更高頻率下的發(fā)射。下頁(yè)圖 7 顯示了壓擺率和開關(guān)節(jié)點(diǎn)相關(guān)振鈴如何影響發(fā)射。限制由開關(guān)轉(zhuǎn)換引起的 EMI 發(fā)射的傳統(tǒng)方法是，通過(guò)在開關(guān)器件的柵極驅(qū)動(dòng)路徑中特意添加電阻來(lái)降低 EMI 發(fā)射的速度。這導(dǎo)致轉(zhuǎn)換發(fā)生得更慢，從而使發(fā)射更快地滾降，并且使發(fā)射在振鈴頻率下降低 8 至 10dB。不過(guò)，這種開關(guān)邊沿的減慢會(huì)導(dǎo)致開關(guān)轉(zhuǎn)換器的峰值電流效率降低 2% 至3%。
降低低頻發(fā)射的創(chuàng)新技術(shù)
讓我們來(lái)看看 TI 在構(gòu)建其轉(zhuǎn)換器和控制器時(shí)使用的幾種技術(shù)，這些技術(shù)可在效率、EMI、尺寸和成本之間實(shí)現(xiàn)基本平衡。
圖 6.具有不同上升時(shí)間的方波的 EMI 圖。
圖7.不同的開關(guān)節(jié)點(diǎn)壓擺率和相關(guān)的振鈴對(duì)高頻發(fā)射的影響。更低的壓擺率會(huì)影響 30MHz 至 200MHz 頻帶的EMI 滾降，而更低的振鈴會(huì)在約 400MHz 的振鈴頻率下影響 EMI。
擴(kuò)頻
擴(kuò)頻技術(shù)利用能量守恒原理，通過(guò)將能量分散在多個(gè)頻率上來(lái)減小 EMI 峰值。然而，敏感電路“面臨”的峰值能量可能不會(huì)降低；它取決于敏感電路帶寬和頻率調(diào)制方式之間的關(guān)系。測(cè)量EMI時(shí)，頻譜分析器屬于敏感電路，而工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了分辨率帶寬 （RBW）。因此，以更有效的方式根據(jù)實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制頻率非常重要。一般的經(jīng)驗(yàn)是，使調(diào)制頻率fm 約等于目標(biāo) RBW，擴(kuò)展帶寬 ΔfC 約為 ±5% 至±10%。圖 8 在時(shí)域和頻域中說(shuō)明了這些參數(shù)。
圖 8.時(shí)域和頻域中的擴(kuò)頻參數(shù) fm 和 ΔfC。
CISPR 25 等標(biāo)準(zhǔn)中通常將 fm 設(shè)置在 9kHz 左右以優(yōu)化低頻頻帶，這也恰好在可聞范圍內(nèi)。為了解決該問(wèn)題，您可以通過(guò)假隨機(jī)方式進(jìn)一步實(shí)施三角調(diào)制，從而傳播可聞能量，同時(shí)不會(huì)對(duì)傳導(dǎo)和輻射 EMI 性能造成重大影響。下頁(yè)圖 9 在時(shí)域和頻域中說(shuō)明了該調(diào)制曲線，這是同步降壓/升壓轉(zhuǎn)換器 TPS55165-Q1 的一個(gè)特性。
圖 9.在每個(gè)調(diào)制周期結(jié)束時(shí)，通過(guò)假隨機(jī)地調(diào)制三角波來(lái)降低可聞噪聲。
EMI 不限于單個(gè)頻帶（因此不限于單個(gè) RBW），而是存在于多個(gè)頻帶中，這就帶來(lái)一個(gè)困境，因?yàn)閿U(kuò)頻通常只針對(duì)單個(gè)頻帶進(jìn)行改善。一種稱為雙隨機(jī)擴(kuò)頻 （DRSS） 的數(shù)字?jǐn)U頻技術(shù)為這個(gè)問(wèn)題帶來(lái)了新的解決方案。DRSS 的基本原理是疊加兩條調(diào)制曲線，每條曲線針對(duì)不同的 RBW。有關(guān)更多信息，
請(qǐng)參閱應(yīng)用報(bào)告《EMI 降低技術(shù)，雙隨機(jī)擴(kuò)頻》。 圖 10 顯示了時(shí)域中的 DRSS 調(diào)制曲線，其中的三角形包絡(luò)針對(duì)較低的 RBW，而疊加的假隨機(jī)序列針對(duì)較高的 RBW。
圖 10.DRSS 的時(shí)域調(diào)制曲線。
圖 11 顯示了非同步升壓控制器 LM5156-Q1（采用 DRSS 和不采用 DRSS）的傳導(dǎo)發(fā)射性能。您可以看到 150kHz 至 30MHz 頻帶以及 30MHz 至 108MHz 頻帶（這是 CISPR 25 汽車標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)關(guān)鍵頻帶）中的頻譜峰值都大大降低了。LM5157-Q1非同步升壓轉(zhuǎn)換器也采用了 DRSS 并實(shí)現(xiàn)了相似的性能。
擴(kuò)頻技術(shù)適用于非隔離式和隔離式拓?fù)洌驗(yàn)閮烧叩?EMI 源相似，擴(kuò)頻可提供相同的優(yōu)勢(shì)。具有集成變壓器的 UCC12040 和 UCC12050 隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器能夠滿足 CISPR 32 B 類 EMI 測(cè)試限制要求，部分原因是采用了內(nèi)部擴(kuò)頻技術(shù)。
有源 EMI 濾波
為了顯著改善低頻頻譜中的發(fā)射，LM25149-Q1 降壓控制器采用了有源 EMI 濾波方法。集成有源 EMI濾波器 通過(guò)充當(dāng)有效的低阻抗分流器，可降低輸入端的 DM 傳導(dǎo)發(fā)射。圖 12 顯示了降壓控制器的有源 EMI 濾波器如何連接到輸入線。感應(yīng)和注入引腳通過(guò)各自的電容器連接到輸入端。有源 EMI 濾波器塊中的有源元件會(huì)放大感應(yīng)到的信號(hào)，并通過(guò)注入電容器注入適當(dāng)?shù)姆礃O性信號(hào)來(lái)顯著降低輸入線上的總體干擾。這減輕了所需無(wú)源元件的過(guò)濾負(fù)擔(dān)，從而減小了這些元件的尺寸、體積和成本。
圖 12.有源 EMI 濾波器，其中顯示了感應(yīng)和注入電容器以及用于補(bǔ)償?shù)慕M件。
圖 11.LM5156-Q1 升壓控制器采用擴(kuò)頻技術(shù)前后的 EMI 性能，其中使用的不是專為降低 EMI 而設(shè)計(jì)的印刷電路板 （PCB）。
圖 13 顯示了在 400kHz 開關(guān)頻率下工作的降壓轉(zhuǎn)換器的 EMI 測(cè)量結(jié)果，其中比較了有源和無(wú)源 EMI 濾波方法。為了有效滿足 CISPR 25 5 類頻譜屏蔽要求，無(wú)源 EMI 濾波器需要一個(gè) 3.3μH DM 電感器和一個(gè) 10μF DM 電容器。有源濾波方法通過(guò)一個(gè)僅 1μH 的 DM 電感器以及 100nF 的感應(yīng)和注入電容器，可實(shí)現(xiàn)同樣有效的衰減。這有助于將無(wú)源濾波器的尺寸和體積分別減小到原始值的 43% 和27% 左右。對(duì)于大電流轉(zhuǎn)換器，可以通過(guò)降低電感器直流電阻來(lái)進(jìn)一步降低成本和提高效率。
圖 13.針對(duì) 12V 輸入、5V/5A 輸出降壓轉(zhuǎn)換器使用無(wú)源和有源濾波所實(shí)現(xiàn)的 EMI 衰減，并比較了這兩種方法中的濾波用無(wú)源電感器。
消除繞組
與非隔離式轉(zhuǎn)換器不同，跨越隔離邊界的額外發(fā)射路徑是導(dǎo)致隔離式轉(zhuǎn)換器共模 （CM） EMI 的主要原因。下頁(yè)圖 14 顯示標(biāo)準(zhǔn)反激式轉(zhuǎn)換器中的隔離變壓器存在寄生電容。CM 電流可通過(guò)與每個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的寄生電容從初級(jí)側(cè)直接流入大地。CM 電流還由于繞組之間的寄生電容而從初級(jí)側(cè)流至次級(jí)側(cè)，從而導(dǎo)致測(cè)量的 CM EMI 增大。通常，您可以通過(guò)在輸入電源路徑中使用較大的 CM 扼流圈來(lái)降低這種額外的干擾。
圖 14.在反激式轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生寄生效應(yīng)的 CM EMI。
為了幫助更大程度地減小無(wú)源濾波器件的尺寸，用于高功率密度 5V 至 20V 交流/直流適配器且采用硅 FET 的 65W 有源鉗位反激式參考設(shè)計(jì)針對(duì)隔離式轉(zhuǎn)換器采用了消除繞組和屏蔽的方法。如圖 15 所示，一種經(jīng)改進(jìn)的內(nèi)部變壓器結(jié)構(gòu)在內(nèi)部初級(jí)層和次級(jí)層之間插入了一個(gè)額外的輔助繞組層（以黑色顯示），以實(shí)現(xiàn) CM 平衡。
輔助 CM 平衡層屏蔽了內(nèi)部的半初級(jí)層與次級(jí)層之間的界面，有助于生成消除 CM 電壓，以消除來(lái)自外部半初級(jí)層的 CM 注入。通過(guò)均衡從輔助繞組和初級(jí)外層到次級(jí)層的寄生電容，可幫助消除從外部半初級(jí)層注入到次級(jí)層的 CM 電流（通過(guò)從消除層注入反相 CM 電流）。凈效應(yīng)（流入次級(jí)層的 CM 電流幾乎為零）降低了 CM 發(fā)射，從而使用超少的 CM 濾波器件即可讓設(shè)計(jì)滿足 EMI 頻譜標(biāo)準(zhǔn)要求。
降低高頻發(fā)射的創(chuàng)新技術(shù)
到目前為止，我們介紹的 EMI 緩解技術(shù)通常可以減低低頻發(fā)射 （《30MHz），同時(shí)相應(yīng)地減少了所需的無(wú)源濾波量，以及相關(guān)的尺寸、體積和成本。現(xiàn)在，讓我們來(lái)看看旨在緩解高頻發(fā)射 （》30MHz） 的技術(shù)。
HotRod? 封裝
降低高頻發(fā)射的主要方法之一是更大程度地減小電源環(huán)路電感。TI 提供的 LM53635-Q1、LMS3655-Q1、LM61495-Q1、LMR33630-Q1 和 LM61460-Q1 等降壓轉(zhuǎn)換器從鍵合線封裝改用基于引線框的倒裝芯片 （HotRod） 封裝，有助于降低電源環(huán)路電感，進(jìn)而降低開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴。
圖 15.使用屏蔽和消除繞組來(lái)降低反激式轉(zhuǎn)換器中的 EMI。
HotRod 封裝翻轉(zhuǎn)硅片并將其直接放置在引線框上，從而更大程度地減小由運(yùn)行開關(guān)電流的引腳上的鍵合線引起的寄生電感。圖 16 顯示了 HotRod封裝的結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢(shì)。除改善電源環(huán)路電感之外，HotRod 式封裝還有助于降低電源路徑中的電阻，從而提高效率并減小解決方案尺寸。
采用 HotRod 封裝器件的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是，這些器件易于實(shí)現(xiàn)并行輸入路徑引腳排列（直流/直流轉(zhuǎn)換器輸入電容器的布局布置）。通過(guò)優(yōu)化直流/直流轉(zhuǎn)換器的引腳排列使輸入電容器的布局對(duì)稱，輸入電源環(huán)路產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)就會(huì)處于對(duì)稱環(huán)路中，從而更大程度地降低對(duì)附近系統(tǒng)的發(fā)射。并行輸入路徑可進(jìn)一步降低高頻 EMI，尤其是在更嚴(yán)格的 FM 頻帶中，如下頁(yè)圖 17 所示。
圖 16.標(biāo)準(zhǔn) QFN，帶接合線，可電氣連接至裸片 （a）；HotRod 封裝，引線框和裸片之間帶有銅柱和倒裝芯片互連 （b）
圖 17.并行輸入路徑對(duì) SMPS 中 EMI 的影響。
增強(qiáng)型 HotRod? QFN
增強(qiáng)型 HotRod 四方扁平無(wú)引線 （QFN） 封裝可提供 HotRod 封裝的所有 EMI 降低功能，并且具有開關(guān)節(jié)點(diǎn)電容更低的額外優(yōu)勢(shì)，從而更大程度降低了振鈴。與 HotRod 封裝相比，在采用增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝的器件中，輸入電壓 （VIN） 和接地 （GND） 引腳上的寄生電阻器-電感器-電容器 （RLC） 值也更低。
LM60440-Q1 降壓轉(zhuǎn)換器采用了增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝，下頁(yè)圖 18 顯示了其引腳排列和電路板布局布線。增強(qiáng)型 HotRod QFN 封裝不僅提高了效率，而且其封裝中心具有一個(gè)大型的裸片附接焊盤 （DAP）。與 HotRod 封裝相比，DAP 有助于改善 PCB 散熱，并將結(jié)溫的上升降低 15% 以上。此外，VIN、GND 和開關(guān)節(jié)點(diǎn)引腳上較低的 RLC 寄生效應(yīng)還可以提高效率并降低 EMI。如預(yù)期的那樣，這會(huì)產(chǎn)生更低的 EMI，尤其是在開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴頻帶附近，如下頁(yè)圖 19 所示。
集成式輸入旁路電容器
如前所述，由于更高的開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴，較大的輸入電源環(huán)路會(huì)導(dǎo)致在高頻頻帶上產(chǎn)生更高的發(fā)射。在器件封裝內(nèi)集成高頻輸入去耦電容器有助于更大程度地降低輸入環(huán)路寄生效應(yīng)，從而降低 EMI。降壓轉(zhuǎn)換器 LMQ62440-Q1 中采用了該技術(shù)，如下頁(yè)圖 20 所示。除了減小輸入電源環(huán)路電感之外，輸入高頻電容器的封裝集成還有助于使該解決方案不易受終端系統(tǒng)電路板布局布線變化的影響。
圖 18.Enhanced HotRod? QFN 封裝器件中的引腳排列和 PCB 布局布線。
圖 21 比較了 LMQ62440-Q1 在集成和未集成旁路電容器情況下的輻射 EMI（在相同電路板、相同條件下）。結(jié)果表明，更嚴(yán)格的電視頻帶（200 至 230MHz）中的發(fā)射降低了 9dB，這有助于系統(tǒng)保持在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的 EMI 限制范圍內(nèi)，而無(wú)需在板上添加額外的組件。
有效的壓擺率控制
盡管有上述技術(shù)，但在某些設(shè)計(jì)中，高頻 EMI（60MHz 至 250MHz）可能仍會(huì)超出指定的標(biāo)準(zhǔn)限制。緩解和提高裕度以滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的一種方法是，使用一個(gè)電阻器與開關(guān)轉(zhuǎn)換器的自舉電容器串聯(lián)。使用電阻器可以降低開關(guān)邊沿的壓擺率，從而降低 EMI，但也會(huì)降低效率。
LM61440-Q1 和 LM62440-Q1 等開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以在開啟期間使用電阻器來(lái)選擇高側(cè) FET 驅(qū)動(dòng)器的強(qiáng)度。如下頁(yè)圖 22 所示，通過(guò) RBOOT 引腳（青色虛線環(huán)路）消耗的電流成倍增加并通過(guò) CBOOT（紅色虛線）消耗，以開啟高側(cè)功率 MOSFET。
圖 19.HotRod 封裝器件與 Enhanced HotRod 封裝器件的 SW 節(jié)點(diǎn) FFT 對(duì)比。
圖 20.LMQ62440-Q1 器件中集成的兩個(gè)高頻輸入旁路電容器。
這樣，該電阻器就可以控制壓擺率，但不會(huì)遭受串聯(lián)啟動(dòng)電阻器消耗大部分電流時(shí)發(fā)生的效率損失。RBOOT 與 CBOOT 發(fā)生短路時(shí)，上升時(shí)間很短；直到高于 150MHz 時(shí)，開關(guān)節(jié)點(diǎn)諧波才會(huì)滾降。如果 CBOOT 和 RBOOT 通過(guò) 700Ω 的電阻器保持連接，則在將 13.5V 轉(zhuǎn)換為 5V 時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間增加到 10ns。該較長(zhǎng)的上升時(shí)間使開關(guān)節(jié)點(diǎn)諧波中的能量在大多數(shù)情況下都能在 50MHz 附近滾降。
EMI 建模功能
對(duì)任何電路進(jìn)行建模是早期評(píng)估設(shè)計(jì)性能的重要方法，因此在縮短設(shè)計(jì)周期中起著至關(guān)重要的作用。EMI 建模是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及 PCB 的時(shí)域電路分析和頻域電磁仿真。對(duì) EMI 發(fā)射進(jìn)行建?？梢詼p少設(shè)計(jì)迭代次數(shù)，從而能夠更輕松、更快速地滿足 EMI 標(biāo)準(zhǔn)限制要求。
讓我們來(lái)看看您在進(jìn)行 EMI 建模時(shí)可以使用的一些選項(xiàng)。
采用 WEBENCH? 設(shè)計(jì)工具的低頻 EMI 設(shè) 計(jì)
WEBENCH 輸入濾波器設(shè)計(jì)工具可幫助您自動(dòng)設(shè)計(jì)合適的輸入濾波器，以緩解低頻 （《30MHz） 傳導(dǎo)EMI 噪聲，從而滿足 CISPR 32 和 CISPR 25 等合規(guī)性標(biāo)準(zhǔn)的要求。該工具可優(yōu)化濾波器尺寸，同時(shí)確保設(shè)計(jì)符合特定標(biāo)準(zhǔn)的要求。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，該工具可確保濾波器穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換器環(huán)路穩(wěn)定性。該在線工具支持 100 種以上的 TI 電源器件。
不對(duì)輸入 EMI 濾波器電感器進(jìn)行抑制是一種常見的錯(cuò)誤，這會(huì)對(duì)總體設(shè)計(jì)穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。WEBENCH 設(shè)計(jì)工具 對(duì)輸入濾波器和 SMPS 進(jìn)行阻抗分析（如下頁(yè)圖 23 所示），并推薦合適的抑制組件以確保穩(wěn)定性。
數(shù)據(jù)表中發(fā)布的傳導(dǎo)和輻射 EMI 結(jié)果
SMPS 器件評(píng)估模塊已針對(duì)更嚴(yán)格的工業(yè)和汽車 EMI 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果發(fā)布在數(shù)據(jù)表中，以幫助您提前了解器件的 EMI 性能。您可以通過(guò)單擊器件數(shù)據(jù)表第一頁(yè)中的“針對(duì)超低 EMI 要求進(jìn)行了優(yōu)化”來(lái)訪問(wèn)詳細(xì)的 EMI 報(bào)告。LM62440-Q1 數(shù)據(jù)表中的 EMI 報(bào)告包含適用于 CISPR 25 5 類傳導(dǎo)和輻射設(shè)置的完整數(shù)據(jù)
圖 21.未集成和集成旁路電容器時(shí) LMQ62440-Q1 器件的輻射 EMI 性能。
圖 22. LM62440 中的有效壓擺率控制實(shí)現(xiàn) （a）；采用有效壓擺率控制的開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴降低 （b）
可縮短設(shè)計(jì)時(shí)間和提高成本效益優(yōu)化”來(lái)訪問(wèn)詳細(xì)的 EMI 報(bào)告。LM62440-Q1 數(shù)據(jù)表中的 EMI 報(bào)告包含適用于 CISPR 25 5 類傳導(dǎo)和輻射設(shè)置的完整數(shù)據(jù)。
此外，TI 還可以在內(nèi)部執(zhí)行系統(tǒng)級(jí) EMI 建模和測(cè)量，以幫助您驗(yàn)證 EMI 性能并縮短周期。
結(jié)束語(yǔ)
電子產(chǎn)品的快速發(fā)展為電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的壓力，復(fù)雜的系統(tǒng)需要裝入電源轉(zhuǎn)換器越來(lái)越小的空間。各個(gè)敏感系統(tǒng)彼此靠近，難以抑制 EMI。在設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換器必須格外小心，以符合標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)規(guī)定的限制，從而確保關(guān)鍵系統(tǒng)可以在充滿噪聲的環(huán)境中安全運(yùn)行。
圖 23.WEBENCH? 設(shè)計(jì)工具中的輸入 EMI 建議和阻抗分析。
低 EMI 設(shè)計(jì)可以顯著縮短開發(fā)周期，同時(shí)還可以減小電路板面積并降低解決方案成本。TI 提供了多種用于緩解 EMI 的功能和技術(shù)，例如擴(kuò)頻、有源 EMI 濾波、消除繞組、封裝創(chuàng)新、集成輸入旁路電容器和有效的壓擺率控制等方法。
將技術(shù)與 TI 的 EMI 優(yōu)化型電源管理器件相結(jié)合，可確保采用 TI 組件的設(shè)計(jì)能夠符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，且無(wú)需大量返工。利用 TI 產(chǎn)品，您能夠保持在終端設(shè)備 EMI 限制范圍之內(nèi)，而不會(huì)降低功率密度或效率。
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