一種新型應(yīng)對(duì)汽車EMI問題解決方案

　　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?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/EMI">EMI要求都要必須滿足，所以對(duì)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(huì)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(cè)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(huì)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P(yáng)C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?？拷纛l、RF、CAN總線和各種雷達(dá)系統(tǒng)。

　　應(yīng)對(duì)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(duì)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(chǎng)。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(hào)都產(chǎn)生覆蓋整個(gè)信號(hào)頻譜的噪聲。即使經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)接受測(cè)試之前，設(shè)計(jì)師也永遠(yuǎn)不會(huì)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(cè)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(huì)增加20dB輻射。

　　有經(jīng)驗(yàn)的PCB設(shè)計(jì)師會(huì)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(chǔ)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(duì)這些EMI問題的全新解決方案

　　可靠和真正應(yīng)對(duì)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(cè)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(huì)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LT8614SilentSwitcher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(jí)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:LT8614SilentSwitcher最大限度地減小麗EMI/EMC輻射

　　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(jí)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(duì)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-Calls5測(cè)量結(jié)果的噪聲層。

　　圖2所示測(cè)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。

　　為了比較采用SilentSwitcher技術(shù)的LT8614和另一種目前最新的開關(guān)穩(wěn)壓器LT8610，對(duì)LT8614和LT8610進(jìn)行了測(cè)試。該測(cè)試是在GTEM單元中進(jìn)行的，對(duì)兩款器件的測(cè)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。