是否可以將低EMI電源安裝到擁擠的電路板上

作者：Bhakti Waghmare，Diarmuid Carey

電源產(chǎn)生它，必須解決，但來(lái)源是什么，典型的緩解策略是什么？

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（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。設(shè)計(jì)周期通常會(huì)將電源設(shè)計(jì)推向設(shè)計(jì)過(guò)程的接近尾聲，這會(huì)導(dǎo)致挫敗感，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員試圖將復(fù)雜的電源壓縮到更緊湊的位置。按時(shí)完成設(shè)計(jì)會(huì)影響性能，從而將問(wèn)題推向測(cè)試和驗(yàn)證。簡(jiǎn)單性、性能和解決方案數(shù)量傳統(tǒng)上是相互矛盾的：優(yōu)先考慮一兩個(gè)所需的功能，而忍受沒(méi)有第三個(gè)功能，尤其是在設(shè)計(jì)截止日期迫在眉睫的時(shí)候。犧牲是正常的;他們不應(yīng)該是。

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)重大問(wèn)題：EMI，通常簡(jiǎn)稱為噪聲。電源產(chǎn)生它，必須解決，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，提出了一種解決方案，以降低EMI、保持效率并將電源安裝到有限的解決方案中。

什么是電磁干擾？

電磁干擾是破壞系統(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)。上述許多限制以及對(duì)電源性能要求的提高（增加功率密度、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EMI。在許多行業(yè)中，必須滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)，如果在設(shè)計(jì)周期的早期不考慮，則會(huì)顯著影響上市時(shí)間。

電磁干擾耦合的類型

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通過(guò)傳導(dǎo)耦合到組件。噪聲通過(guò)傳導(dǎo)傳遞到另一個(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)）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與寄生電感耦合的結(jié)果。這種輻射噪聲會(huì)影響附近的設(shè)備。

電磁干擾控制技術(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。這似乎是顯而易見(jiàn)的，但獲得這些知識(shí)可能很耗時(shí)，因?yàn)樗枰L問(wèn)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，以及它是否完全符合系統(tǒng)提出的標(biāo)準(zhǔn)。

假設(shè)在測(cè)試后，電源存在EMI問(wèn)題，則面臨著通過(guò)許多傳統(tǒng)校正策略來(lái)降低EMI的過(guò)程，包括：

在最小的電路板面積內(nèi)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合適的組件同樣重要。成功的布局在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（從開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)到GND的簡(jiǎn)單RC濾波器）提供占位面積。這可以抑制開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴（EMI因素），但這種技術(shù)會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗增加，從而對(duì)效率產(chǎn)生負(fù)面影響。

降低邊沿速率：還可以通過(guò)降低柵極導(dǎo)通的壓擺率來(lái)減少開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴。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ADI公司的線性?開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中作為選件實(shí)現(xiàn)，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)調(diào)制（例如，在編程的fSW周圍變化±10%）。這有助于在更寬的頻率范圍內(nèi)分配峰值噪聲能量。

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

上述所有意外情況都可以減少噪音，但它們都有缺點(diǎn)。在電源設(shè)計(jì)中將噪聲降至最低通常是最干凈的路徑，但很難實(shí)現(xiàn)。ADI靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器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、屏蔽或大量的布局迭代。避免昂貴的對(duì)策可加快產(chǎn)品上市時(shí)間，并節(jié)省大量成本。

最小化電流環(huán)路

為了降低EMI，必須確定電源電路中的熱回路（高di/dt回路）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)色環(huán)路，M1閉合，M2開(kāi)路。在M1開(kāi)路和M2閉合的關(guān)斷周期中，電流通過(guò)綠色環(huán)路。產(chǎn)生最高EMI的環(huán)路既不是藍(lán)色環(huán)路也不是綠色環(huán)路，只有紫色環(huán)路傳導(dǎo)完全開(kāi)關(guān)的交流電，從零切換到IPEAK并返回零，這并不完全直觀。該回路稱為熱回路，因?yàn)樗哂凶罡叩慕涣骱虴MI能量。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器熱回路中的高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并改善功能，需要盡可能減少紫色環(huán)路的輻射效應(yīng)。熱回路的輻射發(fā)射隨其面積增加，因此將熱回路的PC面積減小到零并使用阻抗為零的理想電容器可以解決問(wèn)題（如果可能的話）。

圖2.降壓轉(zhuǎn)換器熱回路。

通過(guò)靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)低噪聲

磁力消除

不可能將熱回路面積減少到零，但我們可以將熱回路分成兩個(gè)極性相反的回路。這有效地局部包含磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)在距離IC的任何距離處有效地相互抵消。這就是靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器背后的概念。

圖3.靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中的磁消除。

倒裝芯片取代引線鍵合

改善EMI的另一種方法是縮短熱回路中的導(dǎo)線。這可以通過(guò)移除將芯片連接到封裝引腳的傳統(tǒng)引線鍵合方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。在封裝中，硅被翻轉(zhuǎn)并添加銅柱。這通過(guò)縮短內(nèi)部FET到封裝引腳和輸入電容的距離，進(jìn)一步減小了熱回路的面積。

靜音切換臺(tái) vs. 靜音切換臺(tái) 2

圖6.典型的靜音切換器應(yīng)用原理圖及其在PCB上的外觀。

圖6所示為使用靜音開(kāi)關(guān)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)稱輸入電容識(shí)別。布局在此方案中很重要，因?yàn)殪o音開(kāi)關(guān)技術(shù)要求這些輸入電容盡可能對(duì)稱地布局，以提供相互磁場(chǎng)抵消的好處。否則，靜音切換器技術(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)的正確布局？答案是靜音切換器 2 穩(wěn)壓器。

靜音切換臺(tái) 2

靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 2 進(jìn)一步降低了 EMI。通過(guò)將電容器（VIN 電容、INTVCC 和升壓電容）集成到 LQFN 封裝中，消除了對(duì) PCB 布局的 EMI 性能敏感性，從而允許放置在盡可能靠近引腳的位置。所有熱回路和接地層均為內(nèi)部器件，從而將EMI降至最低，并減小了解決方案的整體尺寸。

圖7.靜默切換器應(yīng)用與靜默切換器 2 應(yīng)用示意圖。

圖8.封閉式 LT8640S 靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 2 穩(wěn)壓器。

靜音切換器 2 技術(shù)還提高了熱性能。LQFN 倒裝芯片封裝上的大型多接地裸露焊盤有助于將熱量從封裝提取到 PCB 中。更高的轉(zhuǎn)換效率也得益于消除高電阻焊絲。在測(cè)試EMI性能時(shí)，LT8640S以寬裕量通過(guò)了CISPR 25 5類峰值限制。

μModule 靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

利用在開(kāi)發(fā)靜音開(kāi)關(guān)器產(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的指標(biāo) - 熱、可靠性、精度、效率和出色的EMI性能。

圖 9 示出了集成了兩個(gè)輸入電容的LTM8053，允許消除磁場(chǎng)，以及該電源工作所需的許多其他無(wú)源組件。所有這些都是通過(guò) 6.25 mm × 9 mm × 3.32 mm BGA 封裝實(shí)現(xiàn)的，這使客戶能夠?qū)⒕性陔娐钒逶O(shè)計(jì)的其他領(lǐng)域。

圖9.LTM8053 靜音開(kāi)關(guān)器裸露裸露的芯片和 EMI 結(jié)果。

無(wú)需LDO穩(wěn)壓器 — 電源案例研究

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)手冊(cè)所列的最高性能。實(shí)現(xiàn)高效率、小電路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)壓器結(jié)合使用，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，但噪聲相對(duì)較大。低噪聲LDO后置穩(wěn)壓器效率相對(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。通過(guò)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)生干凈的電源，使ADC以最高性能水平工作。問(wèn)題在于眾多穩(wěn)壓器的復(fù)雜布局，LDO后置穩(wěn)壓器在較高負(fù)載下可能會(huì)出現(xiàn)熱問(wèn)題。

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)明顯的權(quán)衡。在這種情況下，低噪聲是重中之重，因此效率和電路板空間必須受到影響?；蛘?，也許不是。最新一代靜音開(kāi)關(guān)μModule器件將低噪聲能力開(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——多個(gè)電壓軌可以由一個(gè)μModule穩(wěn)壓器供電，從而進(jìn)一步節(jié)省面積和時(shí)間。圖 11 示出了使用LTM8065靜音開(kāi)關(guān)器 μModule 穩(wěn)壓器為 ADC 供電的替代電源樹。

圖 11.使用靜音開(kāi)關(guān)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)過(guò)相互測(cè)試。使用圖10和圖11所示電源設(shè)計(jì)的ADC性能已在ADI最近發(fā)表的一篇文章中進(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 LTM8065 并增加一個(gè)輸出 LC 濾波器來(lái)進(jìn)一步清潔輸出。

SFDR 和 SNRFS 的實(shí)測(cè)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)現(xiàn)的核心優(yōu)點(diǎn)是顯著減少了元件數(shù)量，從而提高了效率，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)，并減少了電路板面積。

總結(jié)

總之，隨著我們看到向規(guī)格越來(lái)越嚴(yán)格的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，在可能的情況下利用模塊化電源設(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)符合最新的EMI規(guī)范，因此靜音開(kāi)關(guān)技術(shù)的使用被集成到小尺寸中，并且易于使用的μModule穩(wěn)壓器可以大大縮短上市時(shí)間，同時(shí)節(jié)省電路板面積。

靜音開(kāi)關(guān)μ模塊穩(wěn)壓器的優(yōu)勢(shì)

節(jié)省PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)間（無(wú)需重新調(diào)整電路板以糾正噪聲問(wèn)題）。

無(wú)需額外的EMI濾波器（節(jié)省元件和電路板面積的成本）。

減少內(nèi)部電源專家調(diào)試電源噪聲的需要。

在寬工作頻率范圍內(nèi)具有高效率。

在為噪聲敏感型器件供電時(shí)，無(wú)需LDO后置穩(wěn)壓器。

縮短設(shè)計(jì)周期。

在最小的電路板面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率。

良好的熱性能。

審核編輯：郭婷