是否可以在擁擠的電路板上安裝低EMI電源

有限且不斷縮小的電路板空間、緊湊的設(shè)計(jì)周期和嚴(yán)格的電磁干擾 （EMI） 規(guī)范（例如 CISPR 32 和 CISPR 25）是難以生產(chǎn)具有高效率和良好熱性能的電源的限制因素。由于設(shè)計(jì)周期常常將電源設(shè)計(jì)推到接近設(shè)計(jì)流程的尾聲，因此事情變得更加復(fù)雜——這是一個(gè)令人沮喪的秘訣，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員試圖將復(fù)雜的電源擠入更緊湊的位置。性能受到影響以按時(shí)完成設(shè)計(jì)，從而將罐頭推向測(cè)試和驗(yàn)證。傳統(tǒng)上，簡(jiǎn)單性、性能和解決方案數(shù)量是矛盾的：優(yōu)先考慮一兩個(gè)所需的功能，而沒(méi)有第三個(gè)——尤其是在設(shè)計(jì)截止日期迫在眉睫的時(shí)候。犧牲被接受為正常；他們不應(yīng)該。

本文首先概述了復(fù)雜電子系統(tǒng)中電源帶來(lái)的一個(gè)重要問(wèn)題：EMI，通常簡(jiǎn)稱為噪聲。電源會(huì)產(chǎn)生它，必須加以解決，但來(lái)源是什么，典型的緩解策略是什么？本文介紹了降低 EMI 的策略，提出了一種降低 EMI、保持效率以及將電源安裝到有限的解決方案體積中的解決方案。

什么是電磁干擾？

電磁干擾是一種干擾系統(tǒng)性能的電磁信號(hào)。這種干擾通過(guò)電磁感應(yīng)、靜電耦合或傳導(dǎo)影響電路。對(duì)于汽車、醫(yī)療以及測(cè)試和測(cè)量設(shè)備制造商來(lái)說(shuō)，這是一項(xiàng)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。上面提到的許多限制以及對(duì)電源不斷增長(zhǎng)的性能要求——提高功率密度、更高的開(kāi)關(guān)頻率和更高的電流——只會(huì)擴(kuò)大 EMI 的影響，因此需要解決方案來(lái)降低它。在許多行業(yè)中，必須滿足 EMI 標(biāo)準(zhǔn)，如果不在設(shè)計(jì)周期的早期考慮，則會(huì)顯著影響產(chǎn)品上市時(shí)間。

EMI 耦合類型

當(dāng)干擾源與接收器（即電子系統(tǒng)中的某些組件）耦合時(shí)，EMI 是電子系統(tǒng)中的一個(gè)問(wèn)題。EMI 按其耦合介質(zhì)分類：傳導(dǎo)或輻射。

傳導(dǎo) EMI（低頻，450 kHz 至 30 MHz）

傳導(dǎo) EMI 通過(guò)寄生阻抗以及電源和接地連接傳導(dǎo)到組件。噪聲通過(guò)傳導(dǎo)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備或電路。傳導(dǎo) EMI 可進(jìn)一步分為共模噪聲或差模噪聲。

共模噪聲通過(guò)寄生電容和高 dV/dt （C × dV/dt） 傳導(dǎo)。它遵循從任何信號(hào)（正或負(fù)）通過(guò)寄生電容到 GND 的路徑，如圖 1 所示。

差模噪聲通過(guò)寄生電感（磁耦合）和高 di/dt （L × di/dt） 傳導(dǎo)。

圖 1. 差模和共模噪聲。

輻射 EMI（高頻，30 MHz 至 1 GHz）

輻射 EMI 是通過(guò)磁能無(wú)線傳輸?shù)奖粶y(cè)設(shè)備的噪聲。在開(kāi)關(guān)電源中，噪聲是高 di/dt 加上寄生電感的結(jié)果。這種輻射噪聲會(huì)影響附近的設(shè)備。

EMI 控制技術(shù)

解決電源中 EMI 相關(guān)問(wèn)題的典型方法是什么？首先，確定 EMI 是一個(gè)問(wèn)題。這似乎很明顯，但獲取這些知識(shí)可能很耗時(shí)，因?yàn)樗枰褂?EMI 室（并非在每個(gè)角落都可用）來(lái)量化電源產(chǎn)生的電磁能量，以及它是否充分符合系統(tǒng)。

假設(shè)在測(cè)試后，電源會(huì)出現(xiàn) EMI 問(wèn)題，我們將面臨通過(guò)許多傳統(tǒng)校正策略來(lái)降低它的過(guò)程，包括：

以最小的電路板面積實(shí)現(xiàn)高效率。

良好的熱性能。

布局優(yōu)化：仔細(xì)的電源布局與為電源選擇正確的組件同樣重要。成功的布局很大程度上取決于電源設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)水平。布局優(yōu)化本質(zhì)上是迭代的，經(jīng)驗(yàn)豐富的電源設(shè)計(jì)人員可以幫助最大限度地減少迭代次數(shù)，避免時(shí)間延遲和額外的設(shè)計(jì)成本。問(wèn)題是：這種經(jīng)驗(yàn)在公司內(nèi)部并不常見(jiàn)。

緩沖器：一些設(shè)計(jì)人員提前計(jì)劃并為簡(jiǎn)單的緩沖器電路提供封裝（從開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)到 GND 的簡(jiǎn)單 RC 濾波器）。這可以抑制開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴（EMI 的一個(gè)因素），但這種技術(shù)會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗增加，對(duì)效率產(chǎn)生負(fù)面影響。

降低邊沿速率：降低開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴也可以通過(guò)降低柵極開(kāi)啟的壓擺率來(lái)實(shí)現(xiàn)。不幸的是，就像緩沖器一樣，這會(huì)對(duì)整體系統(tǒng)效率產(chǎn)生負(fù)面影響。

擴(kuò)頻頻率調(diào)制 （SSFM）：此功能在許多 Analog Devices Power by Linear? 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中作為一個(gè)選項(xiàng)實(shí)施，可幫助設(shè)計(jì)通過(guò)嚴(yán)格的 EMI 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。在 SSFM 中，用于驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)頻率的時(shí)鐘在已知范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)制（例如，在編程的 fSW 周圍有 ±10% 的變化）。這有助于將峰值噪聲能量分布在更寬的頻率范圍內(nèi)。

過(guò)濾器和屏蔽：過(guò)濾器和屏蔽在金錢和空間上總是很昂貴。它們也使生產(chǎn)復(fù)雜化。

上述所有突發(fā)事件都可以降低噪音，但它們都有缺點(diǎn)。將電源設(shè)計(jì)中的噪聲降至最低通常是最干凈的途徑，但很難實(shí)現(xiàn)。ADI Silent Switcher? 和 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器在穩(wěn)壓器上實(shí)現(xiàn)了低噪聲，無(wú)需額外的濾波、屏蔽或重要的布局迭代。避免昂貴的對(duì)策可以加快產(chǎn)品上市時(shí)間，并可以節(jié)省大量成本。

最小化電流環(huán)路

要降低 EMI，必須確定電源電路中的熱環(huán)路（高 di/dt 環(huán)路）并減少其影響。熱回路如圖 2 所示。在標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)周期中，交流流過(guò)藍(lán)色回路，M1 閉合，M2 斷開(kāi)。在 M1 打開(kāi)和 M2 關(guān)閉的關(guān)閉周期中，電流通過(guò)綠色回路。產(chǎn)生最高 EMI 的回路既不是藍(lán)色回路也不是綠色回路，這并不完全直觀——只有紫色回路傳導(dǎo)一個(gè)完全開(kāi)關(guān)的交流電，從零切換到 IPEAK，然后又回到零。該環(huán)路被稱為熱環(huán)路，因?yàn)樗哂凶罡叩慕涣骱?EMI 能量。

開(kāi)關(guān)熱回路中的高 di/dt 和寄生電感會(huì)導(dǎo)致電磁噪聲和開(kāi)關(guān)振鈴。為了降低 EMI 并提高功能性，需要盡可能降低紫色環(huán)路的輻射效應(yīng)。熱回路的輻射發(fā)射隨其面積而增加，因此如果可能的話，將熱回路的 PC 面積減小到零并使用具有零阻抗的理想電容器可以解決問(wèn)題。

圖 2. 降壓轉(zhuǎn)換器熱回路。

使用 Silent Switcher 穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)低噪聲

磁對(duì)消

將熱循環(huán)面積減少到零是不可能的，但我們可以將熱循環(huán)分成兩個(gè)極性相反的循環(huán)。這有效地包含了局部磁場(chǎng)，磁場(chǎng)在距 IC 任何距離處有效地相互抵消。這就是 Silent Switcher 穩(wěn)壓器背后的概念。

圖 3. Silent Switcher 穩(wěn)壓器中的磁抵消。

倒裝芯片取代引線鍵合

另一種改善 EMI 的方法是縮短熱回路中的導(dǎo)線。這可以通過(guò)取消將管芯連接到封裝引腳的傳統(tǒng)引線鍵合方法來(lái)完成。在封裝中，硅被翻轉(zhuǎn)并添加了銅柱。通過(guò)縮短從內(nèi)部 FET 到封裝引腳和輸入電容器的距離，這進(jìn)一步減小了熱回路的面積。

靜音切換器與靜音切換器 2

圖 6. 典型的 Silent Switcher 應(yīng)用原理圖及其在 PCB 上的外觀。

圖 6 顯示了使用 Silent Switcher 穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用，可通過(guò)兩個(gè)輸入電壓引腳上的對(duì)稱輸入電容器來(lái)識(shí)別。布局在此方案中很重要，因?yàn)?Silent Switcher 技術(shù)要求這些輸入電容器盡可能對(duì)稱地布局，以提供互場(chǎng)抵消優(yōu)勢(shì)。否則，Silent Switcher 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)將喪失。當(dāng)然，問(wèn)題是如何確保設(shè)計(jì)和整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的布局正確？答案是 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器。

靜音切換器 2

Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器進(jìn)一步降低了 EMI。通過(guò)將電容器集成到 LQFN 封裝（VIN 電容、INTVCC 和升壓電容）中，消除了對(duì) PCB 布局的 EMI 性能敏感性，允許盡可能靠近引腳放置。所有的熱回路和接地層都是內(nèi)部的，從而最大限度地降低了 EMI，并且整個(gè)解決方案的占位面積更小。

圖 7. Silent Switcher 應(yīng)用程序與 Silent Switcher 2 應(yīng)用程序圖。

圖 8. 去蓋的 LT8640S Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器。

Silent Switcher 2 技術(shù)還可以提高熱性能。LQFN 倒裝芯片封裝上的大型多接地裸焊盤有助于將熱量從封裝中提取到 PCB 中。更高的轉(zhuǎn)換效率也源于消除了高電阻鍵合線。在測(cè)試 EMI 性能時(shí)，LT8640S以較大的裕度通過(guò)了 CISPR 25 5 類峰值限制。

μModule Silent Switcher 穩(wěn)壓器

利用在開(kāi)發(fā) Silent Switcher 產(chǎn)品組合時(shí)獲得的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并將其與已經(jīng)龐大的 μModule? 產(chǎn)品組合相結(jié)合，使我們能夠提供易于設(shè)計(jì)的電源產(chǎn)品，同時(shí)滿足電源的一些最重要指標(biāo)——熱、可靠性、準(zhǔn)確度、效率和出色的 EMI 性能。

圖 9 顯示了LTM8053集成了兩個(gè)輸入電容，允許消除磁場(chǎng)，以及該電源運(yùn)行所需的許多其他無(wú)源組件。所有這些都是在 6.25 mm × 9 mm × 3.32 mm BGA 封裝中實(shí)現(xiàn)的，這使客戶可以將精力集中在電路板設(shè)計(jì)的其他領(lǐng)域。

圖 9. LTM8053 Silent Switcher 裸露芯片和 EMI 結(jié)果。

不再需要 LDO 穩(wěn)壓器——電源案例研究

一個(gè)典型的高速 ADC 需要多個(gè)電壓軌，其中一些電壓軌必須非常安靜才能實(shí)現(xiàn) ADC 數(shù)據(jù)表中列出的最高性能。實(shí)現(xiàn)高效率、小板面積和低噪聲平衡的普遍接受的解決方案是將開(kāi)關(guān)電源與 LDO 后置穩(wěn)壓器相結(jié)合，如圖 10 所示。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器能夠以高效率實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的降壓比，但相對(duì)嘈雜。低噪聲 LDO 后置穩(wěn)壓器的效率相對(duì)較低，但它可以抑制開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的大部分傳導(dǎo)噪聲。最小化 LDO 后置穩(wěn)壓器的降壓比有助于提高效率。這種組合產(chǎn)生清潔電源，使 ADC 以最高性能水平運(yùn)行。問(wèn)題在于眾多監(jiān)管機(jī)構(gòu)的復(fù)雜布局，

圖 10. 為AD9625 ADC供電的典型電源設(shè)計(jì) 。

在圖 10 所示的設(shè)計(jì)中，有幾個(gè)權(quán)衡是顯而易見(jiàn)的。在這種情況下，低噪聲是一個(gè)優(yōu)先事項(xiàng)，因此效率和電路板空間必須受到影響?；蛘呖赡懿皇?。最新一代 Silent Switcher μModule 器件將低噪聲開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)與 μModule 封裝相結(jié)合——實(shí)現(xiàn)了迄今為止無(wú)法實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)、高效率、緊湊尺寸和低噪聲的組合。這些穩(wěn)壓器最大限度地減少了電路板面積，但也實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展性——一個(gè) μModule 穩(wěn)壓器可以為多個(gè)電壓軌供電，從而進(jìn)一步節(jié)省面積和時(shí)間。圖 11 顯示了使用LTM8065 Silent Switcher μModule 穩(wěn)壓器為 ADC 供電的替代電源樹(shù)。

圖 11. 使用 Silent Switcher μModule 穩(wěn)壓器為 AD9625 供電的節(jié)省空間的解決方案。

這些設(shè)計(jì)已經(jīng)相互測(cè)試。ADI 最近發(fā)表的一篇文章對(duì)使用圖 10 和圖 11 中的電源設(shè)計(jì)的 ADC 性能進(jìn)行了測(cè)試和比較。1測(cè)試了三種配置：

使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和 LDO 穩(wěn)壓器為 ADC 供電的標(biāo)準(zhǔn)配置。

使用 LTM8065 直接為 ADC 供電，無(wú)需進(jìn)一步濾波。

使用增加了一個(gè)輸出 LC 濾波器的 LTM8065 來(lái)進(jìn)一步凈化輸出。

測(cè)量的 SFDR 和 SNRFS 結(jié)果表明，LTM8065 可用于直接為 ADC 供電，而不會(huì)影響 ADC 的性能。

這種實(shí)施的核心好處是顯著減少了組件數(shù)量，從而提高了效率、更容易生產(chǎn)并減少了電路板面積。

概括

總之，隨著我們看到向具有更嚴(yán)格規(guī)范的更多系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，在可能的情況下使用模塊化電源設(shè)計(jì)非常重要，尤其是在電源設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)很少的情況下。由于許多細(xì)分市場(chǎng)要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)最新的 EMI 規(guī)范，Silent Switcher 技術(shù)的使用被集成到小尺寸中，而 μModule 穩(wěn)壓器的易用性可以大大縮短您的上市時(shí)間，同時(shí)節(jié)省電路板面積。

Silent Switcher μModule 穩(wěn)壓器的優(yōu)勢(shì)

節(jié)省 PCB 布局設(shè)計(jì)時(shí)間（無(wú)需重新旋轉(zhuǎn)電路板來(lái)糾正噪聲問(wèn)題）。

無(wú)需額外的 EMI 濾波器（節(jié)省組件和電路板面積成本）。

減少了對(duì)內(nèi)部電源專家調(diào)試電源噪聲的需求。

在寬工作頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率。

在為噪聲敏感的設(shè)備供電時(shí)，無(wú)需使用 LDO 后置穩(wěn)壓器。

縮短設(shè)計(jì)周期。

以最小的電路板面積實(shí)現(xiàn)高效率。

良好的熱性能。

作者：Bhakti Waghmare ，Diarmuid Carey

審核編輯：郭婷