是否可以在擁擠的板上安裝低EMI電源？

2021-01-08

局限性和不斷縮小的電路板空間，緊湊的設計周期以及嚴格的電磁干擾（EMI）規范（例如CISPR 32和CISPR 25）是限制因素，使它們難以生產(chǎn)具有高效率和良好熱性能的電源。設計周期使事情變得更加復雜，設計周期通常將電源設計推到設計過(guò)程的末尾，這是令人沮喪的秘訣，因為設計師試圖將復雜的電源壓縮到更狹窄的位置。性能會(huì )受到影響，無(wú)法按時(shí)完成設計，從而使罐子進(jìn)入測試和驗證階段。傳統上，簡(jiǎn)單性，性能和解決方案量大相徑庭：確定一個(gè)或兩個(gè)所需功能的優(yōu)先級，并且不具備第三個(gè)功能，尤其是在設計截止日期臨近時(shí)。

本文首先概述了復雜電子系統中電源引起的重要問(wèn)題：EMI，通常簡(jiǎn)稱(chēng)為噪聲。電源會(huì )產(chǎn)生它，必須加以解決，但是其來(lái)源和典型的緩解策略是什么？本文介紹了EMI降低策略，提出了一種降低EMI，保持效率并將電源安裝到有限解決方案體積中的解決方案。

什么是EMI？

電磁干擾是會(huì )破壞系統性能的電磁信號。這種干擾會(huì )通過(guò)電磁感應，靜電耦合或傳導影響電路。對于汽車(chē)，醫療以及測試和測量設備制造商來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)至關(guān)重要的設計挑戰。上面提到的許多限制和對電源的性能要求的不斷提高（功率密度的提高，更高的開(kāi)關(guān)頻率和更高的電流）僅能擴大EMI的影響，要求采用解決方案來(lái)降低EMI。在許多行業(yè)中，必須滿(mǎn)足EMI標準，如果在設計周期的初期就不考慮，則會(huì )極大地影響產(chǎn)品上市時(shí)間。

EMI耦合類(lèi)型

當干擾源與接收器（即電子系統中的某些組件）耦合時(shí)，EMI是電子系統中的一個(gè)問(wèn)題。EMI按其耦合介質(zhì)分類(lèi)：傳導或輻射。

傳導EMI（低頻，450 kHz至30 MHz）

傳導的EMI通過(guò)寄生阻抗以及電源和接地連接通過(guò)傳導耦合到組件。噪聲通過(guò)傳導傳輸到另一個(gè)設備或電路。傳導EMI可以進(jìn)一步分為共模噪聲或差模噪聲。

共模噪聲是通過(guò)寄生電容和高dV / dt（C×dV / dt）傳導的。它遵循從寄生信號到任何信號（正或負）到GND的路徑，如圖1所示。

差模噪聲是通過(guò)寄生電感（磁耦合）和高di / dt（L×di / dt）傳導的。

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(guò)磁能無(wú)線(xiàn)傳輸到被測設備的噪聲。在開(kāi)關(guān)電源中，噪聲是高di / dt加上寄生電感的結果。輻射噪聲會(huì )影響附近的設備。

EMI控制技術(shù)

解決電源中與EMI相關(guān)的問(wèn)題的典型方法是什么？首先，確定EMI是一個(gè)問(wèn)題。這似乎很明顯，但是獲得此知識可能很耗時(shí)，因為它需要進(jìn)入EMI室（并非每個(gè)角落都可用）以量化電源產(chǎn)生的電磁能，以及該電磁能是否完全落在EMI提出的標準之內。系統。

假設經(jīng)過(guò)測試，電源會(huì )帶來(lái)EMI問(wèn)題，那么人們將面臨通過(guò)多種傳統校正策略來(lái)降低電源的過(guò)程，其中包括：

在最小的電路板面積上實(shí)現高效率。

良好的熱性能。

布局優(yōu)化：仔細的電源布局與為電源選擇正確的組件一樣重要。成功的布局很大程度上取決于電源設計人員的經(jīng)驗水平。布局優(yōu)化本質(zhì)上是迭代的，經(jīng)驗豐富的電源設計人員可以幫助最大程度地減少迭代次數，從而避免時(shí)間延遲和額外的設計成本。問(wèn)題是：內部通常不提供這種經(jīng)驗。

緩沖器：一些設計人員會(huì )提前計劃并為簡(jiǎn)單的緩沖器電路（從開(kāi)關(guān)節點(diǎn)到GND的簡(jiǎn)單RC濾波器）提供占位面積。這可以抑制開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的振鈴（EMI干擾因素），但是這種技術(shù)會(huì )導致?lián)p耗增加，從而對效率產(chǎn)生負面影響。

降低的邊沿速率：通過(guò)降低柵極導通的壓擺率，也可以減少開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的振鈴。不幸的是，這像緩沖器一樣，會(huì )對整個(gè)系統的效率產(chǎn)生負面影響。

擴頻頻率調制（SSFM）：此功能是許多Analog Devices利用Linear?開(kāi)關(guān)穩壓器提供的選件，可幫助設計通過(guò)嚴格的EMI測試標準。在SSFM中，用于驅動(dòng)開(kāi)關(guān)頻率的時(shí)鐘在已知范圍內調制（例如，在已編程的fSW周?chē)?span>±10％的變化）。這有助于在更寬的頻率范圍內分配峰值噪聲能量。

過(guò)濾器和屏蔽：過(guò)濾器和屏蔽在金錢(qián)和空間上總是昂貴的。它們也使生產(chǎn)復雜化。

以上所有偶然性都可以減少噪聲，但是它們都有缺點(diǎn)。在電源設計中將噪聲降至最低通常是最干凈的途徑，但很難實(shí)現。ADI SilentSwitcher?和Silent Switcher 2穩壓器在穩壓器處實(shí)現了低噪聲，從而避免了額外的濾波，屏蔽或大量布局迭代的需要。避免昂貴的對策可加快產(chǎn)品上市時(shí)間，并節省大量成本。

最小化電流環(huán)路

為了降低EMI，必須確定電源電路中的熱環(huán)路（高di / dt環(huán)路）并減少其影響。熱環(huán)路如圖2所示。在一個(gè)標準降壓轉換器的一個(gè)周期中，交流電流過(guò)藍色環(huán)路，M1閉合，M2斷開(kāi)。在M1斷開(kāi)和M2閉合的關(guān)斷周期中，電流流過(guò)綠色環(huán)路。產(chǎn)生最高EMI的環(huán)路既不是藍色環(huán)路也不是綠色環(huán)路，這不是完全直觀(guān)的，只有紫色環(huán)路進(jìn)行完全開(kāi)關(guān)的交流，從零切換到IPEAK，然后再回到零。該環(huán)路稱(chēng)為熱環(huán)路，因為它具有最高的ac和EMI能量。

開(kāi)關(guān)熱環(huán)路中的高di / dt和寄生電感會(huì )引起電磁噪聲和開(kāi)關(guān)振鈴。為了降低EMI并改善功能，需要盡可能降低紫色環(huán)路的輻射效應。熱環(huán)路的輻射發(fā)射隨其面積增加而增加，因此，如果可能的話(huà)，將熱環(huán)路的PC面積減小到零，并使用具有零阻抗的理想電容器可以解決該問(wèn)題。

圖2.降壓轉換器熱循環(huán)。

使用靜音開(kāi)關(guān)穩壓器實(shí)現低噪聲

磁抵消

不可能將熱回路面積減小到零，但是我們可以將熱回路分成極性相反的兩個(gè)回路。這有效地包含了局部磁場(chǎng)，并且這些磁場(chǎng)在距IC任意距離處都可以有效地相互抵消。這就是靜音開(kāi)關(guān)穩壓器背后的概念。

圖3.靜音開(kāi)關(guān)穩壓器中的電磁抵消。

倒裝芯片替代引線(xiàn)鍵合

改善EMI的另一種方法是縮短熱回路中的導線(xiàn)。這可以通過(guò)取消將管芯連接到封裝引腳的傳統引線(xiàn)鍵合方法來(lái)實(shí)現。在封裝中，硅被翻轉并且銅柱被添加。通過(guò)縮短從內部FET到封裝引腳和輸入電容器的距離，這進(jìn)一步減小了熱環(huán)路的面積。

圖4.拆開(kāi)的LT8610中所示的引線(xiàn)鍵合。

圖5.帶有銅柱的倒裝芯片。

靜音切換器與靜音切換器2

圖6.典型的靜音開(kāi)關(guān)應用程序原理圖及其在PCB上的外觀(guān)。

圖6顯示了使用靜音開(kāi)關(guān)穩壓器的典型應用，通過(guò)兩個(gè)輸入電壓引腳上的對稱(chēng)輸入電容器可以識別該應用。布局在該方案中很重要，因為靜音開(kāi)關(guān)技術(shù)要求這些輸入電容器盡可能對稱(chēng)地布置，以提供相互抵消的優(yōu)勢。否則，將失去靜音切換器技術(shù)的優(yōu)勢。當然，問(wèn)題是如何確保設計中以及整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的正確布局？答案是Silent Switcher 2穩壓器。

靜音切換器2

Silent Switcher 2穩壓器進(jìn)一步降低了EMI。通過(guò)將電容器集成到LQFN封裝（VIN電容，INTVCC和升壓電容）中，消除了EMI對PCB布局的性能敏感性，從而可以將其放置在盡可能靠近引腳的位置。所有熱環(huán)路和接地層都是內部的，從而將EMI降至最低，并總體上減小了解決方案的占板面積。

圖7. Silent Switcher應用程序與Silent Switcher 2應用程序圖。

圖8.衰減的LT8640S Silent Switcher 2穩壓器。

Silent Switcher 2技術(shù)還可以改善熱性能。LQFN倒裝芯片封裝上的大型，多接地裸露焊盤(pán)有助于將熱量從封裝中抽出到PCB中。消除高電阻鍵合線(xiàn)也可以帶來(lái)更高的轉換效率。在進(jìn)行EMI性能測試時(shí)，LT8640S以很大的幅度通過(guò)了CISPR 25 5類(lèi)峰值限制。

μModule靜音開(kāi)關(guān)穩壓器

利用開(kāi)發(fā)Silent Switcher產(chǎn)品組合時(shí)獲得的知識和經(jīng)驗，并將其與已經(jīng)足夠廣泛的μModule?產(chǎn)品組合相結合，使我們能夠提供易于設計的電源產(chǎn)品，同時(shí)滿(mǎn)足電源的一些最重要指標-熱，可靠性，準確性，效率和出色的EMI性能。

圖9顯示了LTM8053包含兩個(gè)輸入帽，從而可以消除磁場(chǎng)，以及該電源工作所需的許多其他無(wú)源元件。所有這些都是通過(guò)6.25 mm×9 mm×3.32 mm BGA封裝實(shí)現的，客戶(hù)可以將精力集中在電路板設計的其他領(lǐng)域。

圖9. LTM8053靜音開(kāi)關(guān)裸露的裸片和EMI結果。

無(wú)需LDO穩壓器-電源案例研究

典型的高速ADC需要許多電壓軌，其中一些電壓軌必須非常安靜才能達到ADC數據表所列的最高性能。為了達到高效率，小板面積和低噪聲之間的平衡，公認的解決方案是將開(kāi)關(guān)電源與LDO后穩壓器結合使用，如圖10所示。開(kāi)關(guān)穩壓器能夠以較高的效率實(shí)現相對較高的降壓比，但是比較吵。低噪聲LDO后穩壓器效率相對較低，但它可以抑制開(kāi)關(guān)穩壓器產(chǎn)生的大部分傳導噪聲。最小化LDO后調節器的降壓比有助于提高效率。這種結合產(chǎn)生干凈的電源，從而使ADC以最高性能運行。問(wèn)題在于眾多監管機構的布局復雜，

圖10.為AD9625  ADC供電的典型電源設計 。

在圖10所示的設計中，顯然需要權衡取舍。在這種情況下，低噪聲是重中之重，因此效率和電路板空間必須受到損害?；蛘呖赡懿皇?。最新一代的Silent Switcher μModule器件將低噪聲能力的開(kāi)關(guān)穩壓器設計與μModule封裝相結合，實(shí)現了迄今為止難以實(shí)現的簡(jiǎn)單設計，高效，緊湊和低噪聲的組合。這些穩壓器最大程度地減少了電路板面積，但也實(shí)現了可擴展性-可以通過(guò)一個(gè)μModule穩壓器為多個(gè)電壓軌供電，從而進(jìn)一步節省了面積和時(shí)間。圖11顯示了使用LTM8065靜音開(kāi)關(guān)μModule穩壓器為ADC供電的另一種功率樹(shù)。

圖11.使用靜音切換器μModule調節器為AD9625供電的節省空間的解決方案。

這些設計已經(jīng)過(guò)相互測試。ADI公司最近發(fā)表的一篇文章對使用圖10和圖11中的電源設計的ADC性能進(jìn)行了測試和比較。1測試了三種配置：

使用開(kāi)關(guān)穩壓器和LDO穩壓器為ADC供電的標準配置。

使用LTM8065直接為ADC供電，無(wú)需進(jìn)一步濾波。

將LTM8065與輸出LC濾波器配合使用可進(jìn)一步凈化輸出。

測得的SFDR和SNRFS結果表明LTM8065可直接用于為ADC供電，而不會(huì )影響ADC的性能。

此實(shí)施方案的核心好處是大大減少了組件數量，從而提高了效率，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)并減小了電路板面積。