如何降低電路“熱回路”影響,實(shí)現(xiàn)低 EMI 高效電源器件設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間:2020-11-24 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】隨著電子元器件向小型化、輕量化、數(shù)字化和高密度集成化方向發(fā)展,靈敏度越來越高,為此國(guó)際組織提出了一系列技術(shù)規(guī)章,要求電子產(chǎn)品符合嚴(yán)格的磁化系數(shù)和發(fā)射準(zhǔn)則,即具有電磁兼容性EMC。本文以ADI器件為例,介紹如何通過控制電路熱回路以降低器件EMI并符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的電路設(shè)計(jì)參考思路。
隨著電子元器件向小型化、輕量化、數(shù)字化和高密度集成化方向發(fā)展,靈敏度越來越高,為此國(guó)際組織提出了一系列技術(shù)規(guī)章,要求電子產(chǎn)品符合嚴(yán)格的磁化系數(shù)和發(fā)射準(zhǔn)則,即具有電磁兼容性EMC。本文以ADI器件為例,介紹如何通過控制電路熱回路以降低器件EMI并符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的電路設(shè)計(jì)參考思路。
“熱回路”中的真真假假
開關(guān)穩(wěn)壓器需要不斷地開關(guān)電流,這些電流一般來說會(huì)比較大。每當(dāng)電流流動(dòng)時(shí),會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。如果快速開關(guān)大電流,就會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。此外,如果開關(guān)電流時(shí),路徑中存在寄生電感,就會(huì)產(chǎn)生電壓失調(diào)。電流會(huì)容性耦合到相鄰的電路部件中,并增加電源的噪聲輻射。因此,開關(guān)電流是導(dǎo)致產(chǎn)生噪聲的主要原因,下圖顯示了簡(jiǎn)化的降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),存在連續(xù)電流的線路都用藍(lán)色表示,快速開關(guān)電流的線路都用紅色表示。紅色回路看起來像一個(gè)電流回路,因此被稱為回路,它涉及到快速開關(guān)電流。但事實(shí)上,熱回路并不是一個(gè)獨(dú)立的電流回路,而是由兩個(gè)真實(shí)的電流回路組成的虛擬電流回路。紅色回路從來沒有真正的電流流過,因?yàn)閮蓚€(gè)開關(guān)從來不會(huì)同時(shí)打開。它只是單條線路的組合,在特定時(shí)間會(huì)有電流流過,在其他時(shí)間則沒有電流流過。
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。如下圖所示,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)的紫色熱回路。
降壓轉(zhuǎn)換器的熱回路
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。
從1代到2代,Silent Switcher技術(shù)降噪能力再升級(jí)
開關(guān)穩(wěn)壓器的熱回路因開關(guān)穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而異,其設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能窄小緊湊,以減少噪音產(chǎn)生和傳播。ADI公司提供的Silent Switcher技術(shù)通過將輸入電容集成到IC封裝,盡可能縮小關(guān)鍵熱回路,雖然不可能完全消除熱回路區(qū)域,但是可以將熱回路分成極性相反的兩個(gè)回路。通過產(chǎn)生兩個(gè)極性相反的磁場(chǎng),從而大幅抵消輻射噪聲。
Silent Switcher穩(wěn)壓器中的磁場(chǎng)抵消
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。
LT8610鍵合線的拆解示意圖
遵循這一設(shè)計(jì)思想,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。
LT8609S就是采用Silent Switcher 2技術(shù)的典型開關(guān)穩(wěn)壓器,其獨(dú)特的架構(gòu)運(yùn)用兩個(gè)內(nèi)部輸入電容器以及內(nèi)部BST和INTVCC電容器,以最大限度減小熱環(huán)路面積。由于可提供控制得非常好的開關(guān)邊沿,因此LT8609S的設(shè)計(jì)顯著地降低了EMI/EMC輻射,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有一個(gè)整體接地平面,并用銅柱代替了接合線。這種改善的EMI /EMC性能對(duì)電路板布局不敏感,從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并降低了風(fēng)險(xiǎn),即使在采用兩層PC板時(shí)也不例外。在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)開關(guān)頻率為 2MHz 的情況下,LT8609S 可輕松通過汽車 CISPR 25 的 Class 5 峰值 EMI 限制。該器件也提供了擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制功能,以進(jìn)一步降低 EMI / EMC 水平。
LT8609S的同步整流在開關(guān)頻率為2MHz時(shí)提供高達(dá)93%的效率。其3.0V至42V輸入電壓范圍非常適合汽車和工業(yè)應(yīng)用。內(nèi)部高效率開關(guān)可向低至0.774V的電壓提供高達(dá)2A連續(xù)輸出電流和3A峰值負(fù)載。LT8609S突發(fā)模式運(yùn)行的靜態(tài)電流僅為2.5µA,非常適合諸如汽車始終保持接通系統(tǒng)等應(yīng)用,這些系統(tǒng)需要很低的靜態(tài)電流來延長(zhǎng)電池運(yùn)行壽命。LT8609S 的獨(dú)特設(shè)計(jì)在所有條件下保持了僅為400mV (在1.5A)的最小壓差電壓,從而使該器件在汽車?yán)滠嚢l(fā)動(dòng)等情況下表現(xiàn)出色。此外,僅為45ns的快速最短接通時(shí)間實(shí)現(xiàn)了從16V輸入到1.5V輸出的2MHz恒定頻率切換,從而優(yōu)化了效率,同時(shí)可避開關(guān)鍵噪聲敏感頻段。LT8609S 的16引線、3mm x 3mm LQFN封裝和高開關(guān)頻率允許使用小型外部電感器和電容器,因此可構(gòu)成占板面積緊湊和高熱效率的解決方案。
本文小結(jié)
熟練的PCB設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮很小的熱回路并使用盡可能靠近主動(dòng)層的屏蔽接地層。然而,在去耦組件中儲(chǔ)存充足能量所需的組件針腳布局、封裝結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計(jì)要求和封裝尺寸決定了熱回路的最小尺寸。以LT8609S為典型的ADI一系列Silent Switcher 2技術(shù)電源器件通過設(shè)計(jì)與封裝工藝考量盡可能降低熱回路影響,其功能和優(yōu)勢(shì)將使開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)更容易滿足CISPR 32和CISPR 25等各種抗噪標(biāo)準(zhǔn)要求。
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