電源產(chǎn)生EMI的根源及緩解策略 減少EMI并保持效率

有限且不斷縮小的電路板空間、緊張的設(shè)計(jì)周期以及嚴(yán)格的電磁干擾(EMI)規(guī)范（例如 CISPR 32 和 CISPR 25）這些限制因素，都導(dǎo)致獲得具有高效率和良好熱性能電源的難度很大。在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中，電源設(shè)計(jì)通?；咎幱谠O(shè)計(jì)過程的最后階段，設(shè)計(jì)人員需要努力將復(fù)雜的電源擠進(jìn)更緊湊的空間，這使問題變得更加復(fù)雜，非常令人沮喪。為了按時(shí)完成設(shè)計(jì)，只能在性能方面做些讓步，把問題丟給測(cè)試和驗(yàn)證環(huán)節(jié)去處理。簡(jiǎn)單、高性能和解決方案尺寸三個(gè)考慮因素通常相互沖突：只能優(yōu)先考慮一兩個(gè)，而放棄第三個(gè)，尤其當(dāng)設(shè)計(jì)期限臨近時(shí)。犧牲一些性能變得司空見慣；其實(shí)不應(yīng)該是這樣的。

本文首先概述了在復(fù)雜的電子系統(tǒng)中電源帶來的嚴(yán)重問題：即 EMI，通常簡(jiǎn)稱為噪聲。電源會(huì)產(chǎn)生 EMI，必須加以解決，那么問題的根源是什么？通常有何緩解措施？本文介紹減少 EMI 的策略，提出了一種解決方案，能夠減少 EMI、保持效率，并將電源放入有限的解決方案空間中。

什么是 EMI？ 電磁干擾是會(huì)干擾系統(tǒng)性能的電磁信號(hào)。這種干擾通過電磁感應(yīng)、靜電耦合或傳導(dǎo)來影響電路。它對(duì)汽車、醫(yī)療以及測(cè)試與測(cè)量設(shè)備制造商來說，是一項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。上面提到的許多限制和不斷提高的電源性能要求（功率密度增加、開關(guān)頻率更高以及電流更大）只會(huì)擴(kuò)大 EMI 的影響，因此亟需解決方案來減 少 EMI。許多行業(yè)都要求必須滿足 EMI 標(biāo)準(zhǔn)，如果在設(shè)計(jì)初期不加以考慮，則會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的上市時(shí)間。

EMI 耦合類型 EMI 是電子系統(tǒng)中的干擾源與接收器（即電子系統(tǒng)中的一些元件）耦合時(shí)所產(chǎn)生的問題。EMI 按其耦合介質(zhì)可歸類為：傳導(dǎo)或輻射。

傳導(dǎo) EMI（低頻，450 kHz 至 30 MHz） 傳導(dǎo) EMI 通過寄生阻抗以及電源和接地連接以傳導(dǎo)方式耦合到元件。噪聲通過傳導(dǎo)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)器件或電路。傳導(dǎo) EMI 可以進(jìn)一步分為共模噪聲和差模噪聲。

共模噪聲通過寄生電容和高 dV/dt (C × dV/dt)進(jìn)行傳導(dǎo)。它通過寄生電容沿著任意信號(hào)（正或負(fù)）到 GND 的路徑傳輸，如圖 1 所示。

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

圖 1. 差模和共模噪聲。

輻射 EMI（高頻，30 MHz 至 1 GHz） 輻射 EMI 是通過磁場(chǎng)能量以無線方式傳輸?shù)酱郎y(cè)器件的噪聲。在開關(guān)電源中，該噪聲是高 di/dt 與寄生電感耦合的結(jié)果。輻射噪聲會(huì)影響鄰近的器件。

EMI 控制技術(shù) 解決電源中 EMI 相關(guān)問題的典型方法是什么？首先，確定 EMI 就是一個(gè)問題。這看似很顯而易見，但是確定其具體情況可能非常耗時(shí)，因?yàn)樗枰褂?EMI 測(cè)試室（并非隨處都有），以便對(duì)電源產(chǎn)生的電磁能量進(jìn)行量化，并確定該電磁能量是否符合系統(tǒng)的 EMI 標(biāo)準(zhǔn)要求。

假設(shè)經(jīng)過測(cè)試，電源會(huì)帶來 EMI 問題，那么設(shè)計(jì)人員將面臨通過多種傳統(tǒng)的校正策略來減少 EMI 的過程，其中包括： 布局優(yōu)化：精心的電源布局與選擇合適的電源組件同樣重要。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)上是個(gè)迭代過程，經(jīng)驗(yàn)豐富的電源設(shè)計(jì)人員有助于最大限度地減少迭代次數(shù)，從而避免耽誤時(shí)間和產(chǎn)生額外的設(shè)計(jì)成本。問題是：內(nèi)部人員往往不具備這些經(jīng)驗(yàn)。

X 緩沖器：一些設(shè)計(jì)人員會(huì)提前規(guī)劃并為簡(jiǎn)單的緩沖器電路（從開關(guān)節(jié)點(diǎn)到 GND 的簡(jiǎn)單 RC 濾波器）提供占位面積。這樣可以抑制開關(guān)節(jié)點(diǎn)的振鈴現(xiàn)象（一項(xiàng)產(chǎn)生 EMI 的因素），但是這種技術(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。

X 降低邊沿速率：減少開關(guān)節(jié)點(diǎn)的振鈴也可以通過降低柵極導(dǎo)通的壓擺率來實(shí)現(xiàn)。不幸的是，與緩沖器類似，這會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的效率產(chǎn)生負(fù)面影響。

展頻(SSFM)：許多 ADI 公司的 Power by linear?開關(guān)穩(wěn)壓器都提供該特性，它有助于產(chǎn)品設(shè)計(jì)通過嚴(yán)格的 EMI 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。采用 SSFM 技術(shù)，在已知范圍內(nèi)（例如，編程頻率 fSW 上下±10%的變化范圍）對(duì)驅(qū)動(dòng)開關(guān)頻率的時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)制。這有助于將峰值噪聲能量分配到更寬的頻率范圍內(nèi)。

X 濾波器和屏蔽：濾波器和屏蔽總是會(huì)占用大量的成本和空間。它們也使生產(chǎn)復(fù)雜化。

以上所有制約措施都可以減少噪聲，但是它們也都存在缺 陷。最大限度地減少電源設(shè)計(jì)中的噪聲通常能夠徹底解決問 題，但卻很難實(shí)現(xiàn)。ADI 公司的 Silent Switcher?和 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器在穩(wěn)壓器端實(shí)現(xiàn)了低噪聲，從而無需額外的濾波、屏蔽或大量布局迭代。由于不必采用昂貴的反制措施，加快了產(chǎn)品上市時(shí)間并節(jié)省大量的成本。

最大限度地減小電流回路 為了減少 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)周期內(nèi)，當(dāng) M1 關(guān)閉而 M2 打開時(shí)，交流電流沿著藍(lán)色回路流動(dòng)。在 M1 打開而 M2 關(guān)閉的關(guān)閉周期中，電流沿著綠色回路流動(dòng)。產(chǎn)生最高 EMI 的回路并非完全直觀可見，它既不是藍(lán)色回路也不是綠 色回路，而是傳導(dǎo)全開關(guān)交流電流（從零切換到 IPEAK ，然后再切換回零）的紫色回路。該回路稱為熱回路，因?yàn)樗慕涣骱?EMI 能量最大。

導(dǎo)致電磁噪聲和開關(guān)振鈴的是開關(guān)穩(wěn)壓器熱回路中的高 di/dt 和寄生電感。要減少 EMI 并改進(jìn)功能，需要盡量減少紫色回路的輻射效應(yīng)。熱回路的電磁輻射騷擾隨其面積的增加而增加，因此，如果可能的話，將熱回路的 PC 面積減小到零，并使用零阻抗理想電容可以解決該問題。

圖 2. 降壓轉(zhuǎn)換器的熱回路

使用 Silent Switcher 穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)低噪聲 磁場(chǎng)抵消 雖然不可能完全消除熱回路區(qū)域，但是我們可以將熱回路分成極性相反的兩個(gè)回路。這可以有效地形成局部磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)在距 IC 任意位置都可以有效地相互抵消。這就是 Silent Switcher 穩(wěn)壓器背后的概念。

圖 3. Silent Switcher 穩(wěn)壓器中的磁場(chǎng)抵消。

倒裝芯片取代鍵合線 改善 EMI 的另一種方法是縮短熱回路中的導(dǎo)線。這可以通過放棄將芯片連接至封裝引腳的傳統(tǒng)鍵合線方法來實(shí)現(xiàn)。在封裝中倒裝硅芯片，并添加銅柱。通過縮短內(nèi)部 FET 到封裝引腳和輸入電容的距離，可以進(jìn)一步縮小熱回路的范圍。

圖 4. LT8610 鍵合線的拆解示意圖。

圖 5. 帶有銅柱的倒裝芯片。

Silent Switcher 與 Silent Switcher 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)壓器的一個(gè)典型應(yīng)用，可通過兩個(gè)輸入電壓引腳上的對(duì)稱輸入電容來識(shí)別。布局在該方案中非常重要，因?yàn)?Silent Switcher 技術(shù)要求盡可能將這些輸入電容對(duì)稱布置，以便發(fā)揮場(chǎng)相互抵消的優(yōu)勢(shì)。否則，將喪失 SilentSwitcher 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，問題是如何確保在設(shè)計(jì)及整個(gè)生產(chǎn)過程中的正確布局。答案就是 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器。

Silent Switcher 2 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器能夠進(jìn)一步減少 EMI。通過將電容 VIN 電容、 INTVCC 和升壓電容）集成到 LQFN 封裝中，消除了 EMI 性能對(duì) PCB 布局的敏感性，從而可以放置到盡可能靠近引腳的位置。所有熱回路和接地層都在內(nèi)部，從而將 EMI 降至最低，并使解決方案的總占板面積更小。

圖 7. Silent Switcher 應(yīng)用與 Silent Switcher 2 應(yīng)用框圖。

圖 8. 去封的 LT8640S Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器。

Silent Switcher 2 技術(shù)還可以改善熱性能。LQFN 倒裝芯片封裝上的多個(gè)大尺寸接地裸露焊盤有助于封裝通過 PCB 散熱。消除高電阻鍵合線還可以提高轉(zhuǎn)換效率。在進(jìn)行 EMI 性能測(cè)試時(shí)， LT8640S 能滿足 CISPR 25 Class 5 峰值限制要求，并且具有較大的裕量。

μModule Silent Switcher 穩(wěn)壓器 借助開發(fā) Silent Switcher 產(chǎn)品組合所獲得的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并配合 使用現(xiàn)有的廣泛 μModule?產(chǎn)品組合，使我們提供的電源產(chǎn)品易于設(shè)計(jì)，同時(shí)滿足電源的某些重要指標(biāo)要求，包括熱性能、可靠性、精度、效率和良好的 EMI 性能。

圖 9 所示的 LTM8053 集成了可實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)抵消的兩個(gè)輸入電容以及 電源所需的其他一些無源組件。所有這些都通過一個(gè) 6.25 mm ×9 mm × 3.32 mm BGA 封裝實(shí)現(xiàn)，讓客戶可以專心完成電路板的其他部分設(shè)計(jì)。

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

無需 LDO 穩(wěn)壓器——電源案例研究 典型的高速 ADC 需要許多電壓軌，其中一些電壓軌噪聲必須非常低才能實(shí)現(xiàn) ADC 數(shù)據(jù)表中的最高性能。為了在高效率、小尺寸板空間和低噪聲之間達(dá)成平衡，普遍接受的解決方案是將開關(guān)電源與 LDO 后置穩(wěn)壓器結(jié)合使用，如圖 10 所示。開關(guān)穩(wěn)壓器能夠以更高效率實(shí)現(xiàn)更高的降壓比，但噪聲相對(duì)也較大。低噪聲 LDO 后置穩(wěn)壓器效率相對(duì)較低，但它可以抑制開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的大部分傳導(dǎo)噪聲。盡可能減小 LDO 后置穩(wěn)壓器的降壓比有助于提高效率。這種組合能產(chǎn)生干凈的電源，從而使 ADC 以最高性能運(yùn)行。但問題在于多個(gè)穩(wěn)壓器會(huì)使布局更復(fù)雜，并且 LDO 后置穩(wěn)壓器在較高負(fù)載下可能會(huì)產(chǎn)生散熱問題。

圖 10. 為 AD9625 ADC 供電的典型電源設(shè)計(jì)。

圖 10 所示的設(shè)計(jì)顯然需要進(jìn)行一些權(quán)衡取舍。在這種情況下，低噪聲是優(yōu)先考慮事項(xiàng)，因此效率和電路板空間必須做些讓步。但也許不必如此。最新一代的 Silent Switcher μModule 器件將低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)與μModule 封裝相結(jié)合，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)易設(shè)計(jì)、高效率、小尺寸和低噪聲的目標(biāo)。這些穩(wěn)壓器不僅盡可 能減少了電路板占用空間，而且實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展性，可使用一個(gè)μModule 穩(wěn)壓器為多個(gè)電壓軌供電，進(jìn)一步節(jié)省了空間和時(shí)間。圖 11 顯示了使用 LTM8065 Silent Switcher μModule 穩(wěn)壓器為 ADC 供電的電源樹替代方案。

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

這些設(shè)計(jì)都已經(jīng)過相互測(cè)試比較。ADI 公司最近發(fā)表的一篇文章對(duì)使用圖 10 和圖 11 所示電源設(shè)計(jì)的 ADC 性能進(jìn)行了測(cè)試和比較。測(cè)試包括以下三種配置： 使用開關(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，不進(jìn)行進(jìn)一步的濾波。 使用 LTM8065 和額外的輸出 LC 濾波器，進(jìn)一步凈化輸出。

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

這個(gè)實(shí)施方案的核心優(yōu)勢(shì)是大大減少了元件數(shù)量，從而提高了效率，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)并減少了電路板占位空間。

小結(jié) 總之，隨著更多系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)需要滿足更加嚴(yán)格的規(guī)范，盡可能充分利用模塊化電源設(shè)計(jì)變得至關(guān)重要，尤其在電源設(shè)計(jì)專業(yè)經(jīng)驗(yàn)有限的情況下。由于許多細(xì)分市場(chǎng)要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須符合最新的 EMI 規(guī)范要求，因此將 Silent Switcher 技術(shù)運(yùn)用于小尺寸設(shè)計(jì)，同時(shí)借助μModule 穩(wěn)壓器簡(jiǎn)單易用的特性，可以大大縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，同時(shí)還可以節(jié)省電路板空間。