最大限度地減小在汽車環(huán)境中的 EMI

背景

印刷電路板布局決定著所有電源的成敗，決定著功能、電磁干擾 (EMI) 和受熱時(shí)的表現(xiàn)。開關(guān)電源布局不是魔術(shù)，并不難，只不過在最初設(shè)計(jì)階段，可能常常被忽視。然而，因?yàn)楣δ芎?EMI 要求都要必須滿足，所以對電源功能穩(wěn)定性有益的安排也常常有利于降低 EMI 輻射，那么晚做不如早做。還應(yīng)該提到的是，從一開始就設(shè)計(jì)一個(gè)良好的布局不會增加任何費(fèi)用，實(shí)際上還可以節(jié)省費(fèi)用，因?yàn)闊o需 EMI 濾波器、機(jī)械屏蔽、花時(shí)間進(jìn)行 EMI 測試和修改 PC 板。

此外，當(dāng)為了實(shí)現(xiàn)均流和更大的輸出功率而并聯(lián)多個(gè) DC/DC 開關(guān)模式穩(wěn)壓器時(shí)，潛在的干擾和噪聲問題可能惡化。如果所有穩(wěn)壓器都以相似的頻率工作 (開關(guān))，那么電路中多個(gè)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的總能量就會集中在一個(gè)頻率上。這種能量的存在可能成為一個(gè)令人擔(dān)憂的問題，尤其是如果該 PC 板以及其他系統(tǒng)板上其余的 IC 相互靠得很近，易于受到這種輻射能量影響時(shí)。在汽車系統(tǒng)中，這一問題可能尤其麻煩，因?yàn)槠囅到y(tǒng)是密集排列的，而且常常靠近音頻、RF、CAN 總線和各種雷達(dá)系統(tǒng)。

應(yīng)對開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲輻射問題

在汽車環(huán)境中，常常在重視散熱和效率的區(qū)域采用開關(guān)穩(wěn)壓器來取代線性穩(wěn)壓器。此外，開關(guān)穩(wěn)壓器一般是輸入電源總線上的第一個(gè)有源組件，因此對整個(gè)轉(zhuǎn)換器電路的 EMI 性能有顯著影響。

EMI 輻射有兩種類型：傳導(dǎo)型和輻射型。傳導(dǎo)型 EMI 取決于連接到一個(gè)產(chǎn)品的導(dǎo)線和電路走線。既然噪聲局限于方案設(shè)計(jì)中特定的終端或連接器，那么通過前述的良好布局或?yàn)V波器設(shè)計(jì)，常常在開發(fā)過程的早期，就可以保證符合傳導(dǎo)型 EMI 要求。

然而，輻射型 EMI 卻另當(dāng)別論了。電路板上攜帶電流的所有組成部分都輻射一個(gè)電磁場。電路板上的每一條走線都是一個(gè)天線，每一個(gè)銅平面都是一個(gè)諧振器。除了純正弦波或 DC 電壓，任何信號都產(chǎn)生覆蓋整個(gè)信號頻譜的噪聲。即使經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)接受測試之前，設(shè)計(jì)師也永遠(yuǎn)不會真正知道輻射型 EMI 將有多么嚴(yán)重。而且在設(shè)計(jì)基本完成以前，不可能正式進(jìn)行輻射 EMI 測試。

濾波器可以在某個(gè)頻率上或整個(gè)頻率范圍內(nèi)衰減強(qiáng)度以降低 EMI。部分能量通過空間 (輻射) 傳播，因此可增設(shè)金屬屏蔽和磁屏蔽來衰減。而在 PCB 走線上 (傳導(dǎo)) 的那部分則可通過增設(shè)鐵氧體磁珠和其他濾波器來加以控制。EMI 不可能徹底消除，但是可以衰減到其他通信及數(shù)字組件可接受的水平。此外，幾家監(jiān)管機(jī)構(gòu)強(qiáng)制執(zhí)行一些標(biāo)準(zhǔn)以確保符合 EMI 要求。

采用表面貼裝技術(shù)的新式輸入濾波器組件的性能好于通孔組件。不過，這種改進(jìn)被開關(guān)穩(wěn)壓器開關(guān)工作頻率的提高抵消了。更快速的開關(guān)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了更高的效率、很短的最短接通和斷開時(shí)間，因此產(chǎn)生了更高的諧波分量。在開關(guān)容量和轉(zhuǎn)換時(shí)間等所有其他參數(shù)保持不變的情況下，開關(guān)頻率每增大一倍，EMI 就惡化 6dB。寬帶 EMI 的表現(xiàn)就像一個(gè)一階高通濾波器一樣，如果開關(guān)頻率提高 10 倍，就會增加 20dB 輻射。

有經(jīng)驗(yàn)的 PCB 設(shè)計(jì)師會將熱點(diǎn)環(huán)路設(shè)計(jì)得很小，并讓屏蔽地層盡可能靠近有源層。然而，器件引出腳配置、封裝構(gòu)造、熱設(shè)計(jì)要求以及在去耦組件中存儲充足的能量所需的封裝尺寸決定了熱點(diǎn)環(huán)路的最小尺寸。使問題更加復(fù)雜的是，在典型的平面印刷電路板中，走線之間高于 30MHz 的磁或變壓器型耦合將抵消所有濾波器的努力，因?yàn)橹C波頻率越高，不想要的磁耦合就變得越加有效。

應(yīng)對這些 EMI 問題的全新解決方案

可靠和真正應(yīng)對 EMI問題的解決方案是，將整個(gè)電路放在屏蔽盒中。當(dāng)然，這么做增加了成本、增大了所需電路板空間、使熱量管理和測試更加困難并導(dǎo)致額外的組裝費(fèi)用。另一種經(jīng)常采用的方法是減緩開關(guān)邊沿。這么做會產(chǎn)生一種不想要的結(jié)果，這就是降低效率、增大最短接通和斷開時(shí)間、產(chǎn)生有關(guān)的死區(qū)時(shí)間，有損于電流控制環(huán)路可能達(dá)到的速度。

凌力爾特不久前推出了 LT8614 Silent Switcher? 穩(wěn)壓器，該器件無需使用屏蔽盒，卻能提供想要的屏蔽盒效果，因此消除了上述缺點(diǎn)。參見圖 1。LT8614 還具有世界級的低 IQ，工作電流僅為 2.5μA。這是該器件在無負(fù)載穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)消耗的總電源電流。

圖 1：LT8614 Silent Switcher最大限度地減小了 EMI/EMC 輻射，同時(shí)可在頻率高至 3MHz 時(shí)提供高效率。

該器件的超低壓差電壓僅受到內(nèi)部頂端開關(guān)的限制。與其他解決方案不同，LT8614 的 RDSON 不受最大占空比和最短斷開時(shí)間限制。該器件在出現(xiàn)壓差時(shí)跳過開關(guān)斷開周期，僅執(zhí)行所需的最短斷開周期，以保持內(nèi)部頂端開關(guān)升壓級電壓持續(xù)提供，如圖 6 所示。

同時(shí)，LT8614 的最低輸入工作電壓典型值僅為 2.9V (最高 3.4V)，從而使該器件能在有壓差時(shí)提供 3.3V 軌。在大電流時(shí) LT8614比 LT8610/11 的效率更高，因?yàn)槠淇偟拈_關(guān)電阻較小。該器件還可以同步至 200kHz 至 3MHz 的外部頻率。

該器件的 AC 開關(guān)損耗很低，因此它能夠以高開關(guān)頻率工作而效率損失最小。在對 EMI 敏感的應(yīng)用中 (諸如在許多汽車環(huán)境中常見的那些應(yīng)用) 可以實(shí)現(xiàn)良好的平衡，而且 LT8614 能夠在低于 AM 頻帶 (以實(shí)現(xiàn)甚至更低的 EMI) 或高于 AM 頻帶的頻率上工作。在工作開關(guān)頻率為 700kHz 的設(shè)置中，標(biāo)準(zhǔn) LT8614 演示電路板不超過 CISPR25 - Calls 5測量結(jié)果的噪聲層。

圖 2 所示測量結(jié)果是在電波暗室和以下條件下取得的：12Vin、3.3Vout/2A，固定開關(guān)頻率為 700kHz。

圖 2：藍(lán)色曲線是噪聲層;紅色曲線是 LT8614 電路板在電波暗室中進(jìn)行 CISPR25 輻射測量所得結(jié)果。

為了比較采用 Silent Switcher 技術(shù)的 LT8614 和另一種目前最新的開關(guān)穩(wěn)壓器 LT8610，對 LT8614 和 LT8610 進(jìn)行了測試。該測試是在 GTEM 單元中進(jìn)行的，對兩款器件的測量采用了標(biāo)準(zhǔn)演示電路板以及相同的負(fù)載、輸入電壓和相同的電感器。

可以看到，與 LT8610 已經(jīng)非常好的 EMI 性能相比，采用 LT8614 Silent Switcher 技術(shù)的 LT8614 實(shí)現(xiàn)了多達(dá) 20dB 的改進(jìn)，尤其是在更難以管理的高頻區(qū)。這使得可以實(shí)現(xiàn)更簡單、更緊湊的設(shè)計(jì)，與其他敏感系統(tǒng)相比，在總體設(shè)計(jì)上，LT8614 開關(guān)電源對濾波的要求更低。

在時(shí)間域，LT8614 在開關(guān)節(jié)點(diǎn)邊沿上表現(xiàn)得非常好，如圖 4 所示。即使在每格4ns的情況下，LT8614 Silent Switcher 穩(wěn)壓器顯示出非常小的振鈴 (參見圖 3 中的通道 2)。LT8610 的振鈴也很好地衰減了 (圖 3 通道 1)，但是可以看到這與 LT8614 (通道 2) 相比，LT8610 熱點(diǎn)環(huán)路存儲了較高能量。

圖 3：藍(lán)色曲線是 LT8614 的測試結(jié)果，紫色曲線是 LT8610 的測試結(jié)果，測試條件均為 13.5Vin、3.3Vout/2.2A 負(fù)載。

圖 4：通道 1：LT8610，通道 2：LT8614 ，開關(guān)節(jié)點(diǎn)上升沿，測試條件均為 8.4Vin、3.3Vout/2.2A。

圖 5 顯示了 13.2V 輸入的開關(guān)節(jié)點(diǎn)?？梢钥吹剑琇T8614 與理想方波的偏離極小，如通道 2 所示。圖 3、4 和 5 中的所有時(shí)間域測量結(jié)果都是用 500MHz Tektronix P6139A 探頭測得的，封閉的探頭尖端屏蔽罩連接至 PCB GND 平面，測試均在標(biāo)準(zhǔn)演示電路板上進(jìn)行。

圖 5：通道 1：LT8610，通道 2：LT8614，測試條件均為 13.2Vin、3.3Vout/2.2A。除了面向汽車環(huán)境的 42V 絕對最大輸入電壓額定值，器件的壓差表現(xiàn)也非常重要。常常需要支持至關(guān)重要的 3.3V 邏輯電源以應(yīng)對冷車發(fā)動情況。在這種情況下，LT8614 Silent Switcher 穩(wěn)壓器保持接近 LT861x 系列的理想表現(xiàn)。LT8610/11/14 器件不是像其他器件那樣提供更高的欠壓閉鎖電壓和最大占空比箝位，而是以低至 3.4V 的電壓工作，而且只要有必要，就跳過若干周期，如圖 6 所示。這樣就產(chǎn)生了理想的壓差表現(xiàn)，如圖 7 所示。

圖 6：通道 1：LT8610，通道 2：LT8614，開關(guān)節(jié)點(diǎn)壓差表現(xiàn)

圖 7：LT8614 壓差表現(xiàn)

LT8614 的最短接通時(shí)間為非常短的 30ns，即使在高開關(guān)頻率時(shí)，這也允許大的降壓比。因此，該器件可以從高達(dá) 42V 的輸入，經(jīng)過單次降壓提供邏輯內(nèi)核電壓。

結(jié)論

眾所周知，汽車環(huán)境的 EMI 問題在最初設(shè)計(jì)階段需要仔細(xì)注意，以確保一旦系統(tǒng)開發(fā)完成能通過 EMI 測試。直到不久前，尚沒有一種確定的方法保證，通過恰當(dāng)?shù)剡x擇電源 IC，就能夠輕松解決 EMI 問題。現(xiàn)在，由于 LT8614 的推出，情況發(fā)生了變化。與目前最新的開關(guān)穩(wěn)壓器相比，LT8614 Silent Switcher 穩(wěn)壓器的 EMI 低 20dB 以上，同時(shí) LT8614 還完美地提高了轉(zhuǎn)換效率。也就是說，在不犧牲同一電路板區(qū)域的最短接通和斷開時(shí)間或效率的前提下，在高于 30MHz 的頻率范圍內(nèi)，EMI 改善了 10 倍。無需特殊組件或屏蔽就可以實(shí)現(xiàn)這么大的改進(jìn)，這意味著在開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重大突破。這是一款突破性器件，使汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠?qū)⑵洚a(chǎn)品的噪聲性能推進(jìn)到一個(gè)全新水平。