使用 DC／DC 降壓轉(zhuǎn)換器改進(jìn)汽車設(shè)計

汽車行業(yè)不斷尋求改進(jìn)，從而為汽車配備更多傳感器和新的電子功能。目標(biāo)是提高功率水平，目前工程師可能需要依靠降壓拓?fù)鋪磉_(dá)到新的效率標(biāo)準(zhǔn)。

汽車行業(yè)不斷尋求改進(jìn)，從而為汽車配備更多傳感器和新的電子功能。目標(biāo)是提高功率水平，目前工程師可能需要依靠降壓拓?fù)鋪磉_(dá)到新的效率標(biāo)準(zhǔn)。
降壓轉(zhuǎn)換器可以以更高的效率提供比典型 LDO 更多的功率，但有一個缺點 - 其開關(guān)特性會產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)，這對于汽車應(yīng)用來說可能是一個嚴(yán)重的問題。幸運的是，工程師可以使用許多技巧和工具來降低 EMI，包括優(yōu)化電路板布局、利用 IC 功能以及添加電路。
DC/DC 轉(zhuǎn)換器會因輸入紋波、與附近電路的電和磁耦合以及電磁輻射而產(chǎn)生 EMI。EMI 會干擾 AM/FM 無線電接收器和其他敏感設(shè)備，例如主機(jī)或駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 傳感器。嚴(yán)重的 EMI 可能會在收音機(jī)和主機(jī)音頻中產(chǎn)生靜態(tài)噪聲或其他類型的噪聲，干擾 ADAS 傳感器，并降低其他系統(tǒng)的性能。
為了防止這種嚴(yán)重的性能下降，工程師需要設(shè)計符合標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，例如國際無線電擾動委員會 (CISPR) 25 5 級。由于不良布局可能導(dǎo)致任何設(shè)備無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)設(shè)定的 EMI 限制，因此重要的是在電路板布局期間遵循良好的布局優(yōu)化實踐。降壓轉(zhuǎn)換器重要的做法是：
減少電壓快速變化（高 dv/dt）的節(jié)點表面積，以及減小快速變化電流（高 di/dt）的電流環(huán)路面積。
這兩條基本規(guī)則將決定工程師放置某些組件的位置，以限度地減少 EMI。
不幸的是，即使是化的 PCB 布局也無法避免所有與 EMI 相關(guān)的問題。此外，由于電路板尺寸和形狀或時間限制，通常無法像我們希望的那樣優(yōu)化 EMI 布局。例如，非常緊湊的布局可能需要您將功率電感器放置在電路板的底部，或者將輸入電容器放置在距離 IC 稍遠(yuǎn)的位置，以盡量減少 EMI。
這些和其他布局限制可能會導(dǎo)致 EMI，從而降低系統(tǒng)性能。即使有經(jīng)驗和細(xì)心，董事會也可能需要進(jìn)一步優(yōu)化。這些額外的董事會修訂需要時間和金錢。那么，除了優(yōu)化布局以限度地降低應(yīng)用的 EMI 之外，您還可以做什么呢？
克服電路板布局限制如果無法優(yōu)化布局以獲得 EMI，某些 DC/DC 轉(zhuǎn)換器會在器件級別提供大量封裝和功能改進(jìn)，以幫助限度地降低 EMI 并更容易滿足 CISPR 25 5 類限制。這些功能使電路板設(shè)計與布局更加無關(guān)；換句話說，它們可以幫助彌補(bǔ)布局的缺陷。
例如，擴(kuò)頻功能可擴(kuò)展諧波能量以降低峰值和平均 EMI 測量的值。它通過抖動開關(guān)頻率（加減一定百分比）來擴(kuò)展頻譜密度來實現(xiàn)這一點。例如，擴(kuò)展 ±2% 會看到 25 次及 更高次諧波上的諧波能量完全混合或重疊，而不是固定頻率，這將保持在基頻上間隔的諧波尖峰。能量在較高頻率中均勻分布，從而產(chǎn)生較低的測量值包絡(luò)，需要較少的濾波和布局優(yōu)化，從而節(jié)省時間和金錢。
轉(zhuǎn)換速率控制是另一個有助于提高 EMI 性能的功能。EMI 的主要來源是開關(guān)環(huán)。開關(guān)振鈴是由高側(cè) FET 快速導(dǎo)通引起的，它快速從輸入電容拉電流，導(dǎo)致輸入寄生環(huán)路電感和寄生電容諧振而產(chǎn)生數(shù)百兆赫的振鈴。低側(cè) FET 的。減慢上升時間可以減慢即時電流消耗，從而減少振鈴和 EMI?？梢酝ㄟ^添加與啟動電容器串聯(lián)的電阻器（大約幾歐姆）來減慢上升時間，并且某些器件具有專用的啟動電阻器引腳。這里需要權(quán)衡：減慢 FET 的轉(zhuǎn)換可以限度地降低 EMI，但也會增加開關(guān)損耗，從而降低效率。
還有一些封裝級功能有助于抑制 EMI。TI 的 HotRod 封裝就是一個例子，它消除了內(nèi)部鍵合線，如圖 1所示 。不連續(xù)電流會導(dǎo)致開關(guān)節(jié)點產(chǎn)生數(shù)百兆赫茲的振鈴，從而產(chǎn)生耦合和輻射，從而產(chǎn)生 EMI。去除輸入電容器不連續(xù)電流的高 di/dt 環(huán)路路徑中的鍵合線可降低環(huán)路電感。這反過來又減少了振鈴中的能量，從而降低了 EMI。LM61460-Q1 和 LM53635-Q1等器件  采用 HotRod 封裝。

標(biāo)準(zhǔn)焊線四方扁平無引線 (QFN) HotRod QFN圖 1 通過該橫截面視圖，工程師可以比較標(biāo)準(zhǔn)引線鍵合四方扁平無引線 (QFN) 封裝和 TI 的 HotRod QFN。資料 德州儀器其他封裝級功能包括優(yōu)化的引腳排列。器件可以通過組織引腳布局來提高 EMI 性能，從而使輸入電容器等關(guān)鍵路徑保持盡可能小。設(shè)備通常將 VIN 和 GND（或 PGND）引腳彼此相鄰放置，以便為電容器的連接提供優(yōu)化的位置。
更進(jìn)一步的是對稱引腳排列。將 VIN/PGND 對稱地放置在封裝的兩側(cè)，可以使輸入環(huán)路磁場保持獨立，從而進(jìn)一步降低 EMI。許多 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器（例如 LMR33630、  LMR36015、  LM61460和 LMQ61460-Q1） 都具有對稱的 VIN/PGND 引腳對（圖 2b）。
集成輸入電容器下一代 EMI 優(yōu)化封裝使用集成電容器來進(jìn)一步降低輸入寄生電感。LMQ61460-Q1 在兩側(cè)均包含兩個集成輸入旁路電容器，每個 VIN/PGND 對各一個。這些電容器是橫跨右上和右下引腳對（VIN 和 PGND）的黑色矩形，如圖 2a所示。圖 2b 顯示了器件引腳排列以供參考。

限度地減少高頻 EMI 尤為重要，因為汽車應(yīng)用中常見的較高輸入電壓和較高輸出電流可能會加劇該領(lǐng)域的問題。
LMQ61460-Q1 降壓靜音轉(zhuǎn)換器圖 2 X 射線圖像顯示了帶有集成電容器 (a) 的 LMQ61460-Q1 降壓靜音轉(zhuǎn)換器，您可以將其與引腳排列參考 (b) 進(jìn)行比較。資料德州儀器雖然 EMI 確實給汽車應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)，但如果設(shè)計工程師遇到電路板布局限制，他們也并非沒有選擇。有很多方法可以應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，從戰(zhàn)略器件引腳排列到低電感封裝、轉(zhuǎn)換速率控制、擴(kuò)頻和集成電容器等集成功能。
這些功能使工程師能夠放松嚴(yán)格的 EMI 布局優(yōu)化的要求，以換取全面的布局，從而為更好的熱性能和/或更小的解決方案尺寸提供更多的優(yōu)化空間。這些功能可改進(jìn)您的設(shè)計，以自信地滿足標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)設(shè)定的 EMI 限制。