汽車電子的電磁干擾全面布局設計方案

作者 ：TI 汽車電子市場經(jīng)理Zachary Imm

隨著汽車配備越來越多的傳感器和功能，汽車中的電子含量不斷增加，功率水平也不斷提高。過去依賴低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）的工程師現(xiàn)在可能需要使用降壓拓撲來滿足系統(tǒng)的高效率要求。

降壓器在更高的效率下可以提供比典型LDO更大的功率，但有一個明顯缺點——它的開關特性會產(chǎn)生電磁干擾（EMI），這對于汽車應用而言可能是一個嚴重的問題。幸運的是，工程師可以使用許多技巧和工具來降低EMI，包括優(yōu)化電路板布局，利用IC功能以及增加電路。

DC / DC轉換器會因輸入紋波，附近電路的電磁耦合以及電磁輻射而產(chǎn)生EMI。EMI會干擾AM / FM無線電接收器和其他敏感設備，例如主機或高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）傳感器。嚴重的EMI會在無線電和主機音頻中產(chǎn)生靜態(tài)噪聲或其他類型的噪聲，干擾ADAS傳感器，并降低其他系統(tǒng)的性能。

為了防止這種嚴重的干擾，工程師需要設計符合官方標準的系統(tǒng)，例如CISPR 25 Class5。由于不良的布局會導致設備無法通過標準機構設定的EMI限制，因此在電路板布局期間需遵循良好的布局優(yōu)化實踐。降壓轉換器的最重要做法是：

通過快速變化的電壓（高dv / dt）減小節(jié)點的表面積。

通過快速變化的電流（高di / dt）減小電流環(huán)路的面積。

這兩個基本規(guī)則將決定工程師在何處放置某些組件，以最大程度地降低EMI。

不幸的是，即使是最優(yōu)化的PCB布局也無法防止所有與EMI相關的問題。此外，由于電路板的尺寸，形狀或時間的限制，通常無法盡可能地優(yōu)化EMI的布局。例如，非常緊湊的布局可能要求您將功率電感器放置在電路板的底部，或者將輸入電容器放置在距離IC稍遠的地方。

這些和其他布局限制會導致EMI，從而降低系統(tǒng)性能。即使有經(jīng)驗和異常謹慎，板卡也可能需要進一步優(yōu)化。這些額外的板卡修訂需要時間和金錢。那么，除了優(yōu)化布局以使應用的EMI降至最低之外，您還能做什么？

繞過電路板布局的限制

如果無法針對最佳EMI優(yōu)化布局，則某些DC / DC轉換器會在設備級別提供許多封裝和功能改進，以幫助最大程度地降低EMI并使其更容易滿足CISPR 25 Class5限制。這些功能使電路板設計與布局無關。換句話說，它們可以幫助彌補布局方面的缺陷。

例如，擴頻是一種擴展諧波能量以減少峰值和平均EMI測量值的功能。通過對尖峰時鐘進行調(diào)制處理，使其從一個窄帶時鐘變?yōu)橐粋€具有邊帶的頻譜，將尖峰能量分散到展頻區(qū)域的多個頻率段，從而達到降低尖峰能量，抑制EMI的效果。它通過抖動開關頻率來擴展頻譜密度，例如，在±2％的范圍內(nèi)擴頻，將看到諧波能量在第25個和更高的諧波上完全混合或重疊，而不是固定頻率，這將使諧波尖峰保持在基頻上。能量在較高的頻率中均勻分布，從而導致較低的測量值包絡，僅需較少的濾波和較少的布局優(yōu)化，從而節(jié)省了時間和金錢。

擺率控制是有助于改善EMI性能的另一個功能，EMI的主要來源是開關環(huán)。開關環(huán)是由高邊FET的快速導通引起的，它會快速從輸入電容器中拉出電流，輸入寄生回路電感和低邊FET寄生電容的共振，會產(chǎn)生的數(shù)百兆赫的振鈴噪音。通過減慢上升時間會減慢電流消耗，從而減少振鈴和EMI。通過增加一個與啟動電容器串聯(lián)的電阻（幾歐姆的數(shù)量級）可以減慢上升時間，并且某些器件具有專用的啟動電阻器引腳。這里需要權衡：放慢FET的頻率可使EMI最小化，但也會增加開關損耗，從而降低效率。

此外，還有一些有助于抑制EMI的封裝技術。TI的HotRod封裝就是一個例子，該封裝消除了內(nèi)部鍵合線，如圖1所示。不連續(xù)的電流會導致開關節(jié)點上數(shù)百兆赫茲的振鈴，該振鈴會耦合并輻射，從而引起EMI。去除輸入電容器不連續(xù)電流的高di / dt環(huán)路路徑中的鍵合線可降低環(huán)路電感。從而減少了振鈴，降低了EMI。HotRod系列產(chǎn)品包括了LM61460-Q1和LM53635-Q1等器件。

圖1標準QFN和TI的HotRod QFN的區(qū)別。資料來源：德州儀器

其他封裝級功能包括優(yōu)化的引腳排列。器件可以通過整理引腳位置來提高EMI性能，從而使關鍵路徑（例如輸入電容器）保持盡可能小。器件通常將VIN和GND（或PGND）引腳彼此相鄰放置，以便為電容器的連接提供最佳位置。

更進一步，采用對稱的引腳排列。將VIN / PGND對稱地放置在封裝的任一側，可使輸入環(huán)路磁場自成一體，從而進一步降低了EMI。許多DC / DC降壓轉換器，例如LMR33630，LMR36015，LM61460和LMQ61460-Q1具有對稱的VIN / PGND引腳對（圖2b ）。

集成輸入電容器

下一代采用EMI優(yōu)化封裝的產(chǎn)品采用集成電容器來進一步減小輸入寄生電感。LMQ61460-Q1的每一側均包含兩個集成輸入旁路電容器，每個VIN / PGND對均有一個。這些電容器是橫跨在圖2a所示的右上和右下引腳對（VIN和PGND）上的深色矩形。圖2b顯示了該器件的引腳分配，以供參考。

最小化高頻EMI尤為重要，因為汽車應用中常見的更高的輸入電壓和更高的輸出電流會加劇該領域的問題。

圖2 利用X射線，顯示了帶有集成電容器（a）的LMQ61460-Q1降壓型低噪聲轉換器（可將其與引腳參考（b））。資料來源：德州儀器

的確，EMI在汽車應用中提出了挑戰(zhàn)，但設計工程師如果遇到電路板布局約束，也并非沒有選擇。從戰(zhàn)略性器件引腳排列到集成特性（例如低電感封裝，擺率控制，擴展頻譜和集成電容器），有許多方法可以解決這一難題。

這些功能使工程師可以放寬對EMI布局的嚴格優(yōu)化，以換取更全面的布局設計，從而為優(yōu)化性能留出更多空間，以獲得更好的熱性能和/或更小的解決方案尺寸。這些功能可改善您的設計，以滿懷信心地滿足標準機構設定的EMI限制。
編輯：hfy