是否可(kě)以在拥挤的板上安装低EMI電(diàn)源？

2021-01-08

局限性和不断缩小(xiǎo)的電(diàn)路板空间，紧凑的设计周期以及严格的電(diàn)磁干扰（EMI）规范（例如CISPR 32和CISPR 25）是限制因素，使它们难以生产具有(yǒu)高效率和良好热性能(néng)的電(diàn)源。设计周期使事情变得更加复杂，设计周期通常将電(diàn)源设计推到设计过程的末尾，这是令人沮丧的秘诀，因為(wèi)设计师试图将复杂的電(diàn)源压缩到更狭窄的位置。性能(néng)会受到影响，无法按时完成设计，从而使罐子进入测试和验证阶段。传统上，简单性，性能(néng)和解决方案量大相径庭：确定一个或两个所需功能(néng)的优先级，并且不具备第三个功能(néng)，尤其是在设计截止日期临近时。

本文(wén)首先概述了复杂電(diàn)子系统中電(diàn)源引起的重要问题：EMI，通常简称為(wèi)噪声。電(diàn)源会产生它，必须加以解决，但是其来源和典型的缓解策略是什么？本文(wén)介绍了EMI降低策略，提出了一种降低EMI，保持效率并将電(diàn)源安装到有(yǒu)限解决方案體(tǐ)积中的解决方案。

什么是EMI？

電(diàn)磁干扰是会破坏系统性能(néng)的電(diàn)磁信号。这种干扰会通过電(diàn)磁感应，静電(diàn)耦合或传导影响電(diàn)路。对于汽車(chē)，医疗以及测试和测量设备制造商(shāng)来说，这是一个至关重要的设计挑战。上面提到的许多(duō)限制和对電(diàn)源的性能(néng)要求的不断提高（功率密度的提高，更高的开关频率和更高的電(diàn)流）仅能(néng)扩大EMI的影响，要求采用(yòng)解决方案来降低EMI。在许多(duō)行业中，必须满足EMI标准，如果在设计周期的初期就不考虑，则会极大地影响产品上市时间。

EMI耦合类型

当干扰源与接收器（即電(diàn)子系统中的某些组件）耦合时，EMI是電(diàn)子系统中的一个问题。EMI按其耦合介质分(fēn)类：传导或辐射。

传导EMI（低频，450 kHz至30 MHz）

传导的EMI通过寄生阻抗以及電(diàn)源和接地连接通过传导耦合到组件。噪声通过传导传输到另一个设备或電(diàn)路。传导EMI可(kě)以进一步分(fēn)為(wèi)共模噪声或差模噪声。

共模噪声是通过寄生電(diàn)容和高dV / dt（C×dV / dt）传导的。它遵循从寄生信号到任何信号（正或负）到GND的路径，如图1所示。

差模噪声是通过寄生電(diàn)感（磁耦合）和高di / dt（L×di / dt）传导的。

图1.差模和共模噪声。

辐射EMI（高频，30 MHz至1 GHz）

辐射EMI是通过磁能(néng)无線(xiàn)传输到被测设备的噪声。在开关電(diàn)源中，噪声是高di / dt加上寄生電(diàn)感的结果。辐射噪声会影响附近的设备。

EMI控制技术

解决電(diàn)源中与EMI相关的问题的典型方法是什么？首先，确定EMI是一个问题。这似乎很(hěn)明显，但是获得此知识可(kě)能(néng)很(hěn)耗时，因為(wèi)它需要进入EMI室（并非每个角落都可(kě)用(yòng)）以量化電(diàn)源产生的電(diàn)磁能(néng)，以及该電(diàn)磁能(néng)是否完全落在EMI提出的标准之内。系统。

假设经过测试，電(diàn)源会带来EMI问题，那么人们将面临通过多(duō)种传统校正策略来降低電(diàn)源的过程，其中包括：

在最小(xiǎo)的電(diàn)路板面积上实现高效率。

良好的热性能(néng)。

布局优化：仔细的電(diàn)源布局与為(wèi)電(diàn)源选择正确的组件一样重要。成功的布局很(hěn)大程度上取决于電(diàn)源设计人员的经验水平。布局优化本质上是迭代的，经验丰富的電(diàn)源设计人员可(kě)以帮助最大程度地减少迭代次数，从而避免时间延迟和额外的设计成本。问题是：内部通常不提供这种经验。

缓冲器：一些设计人员会提前计划并為(wèi)简单的缓冲器電(diàn)路（从开关节点到GND的简单RC滤波器）提供占位面积。这可(kě)以抑制开关节点的振铃（EMI干扰因素），但是这种技术会导致损耗增加，从而对效率产生负面影响。

降低的边沿速率：通过降低栅极导通的压摆率，也可(kě)以减少开关节点的振铃。不幸的是，这像缓冲器一样，会对整个系统的效率产生负面影响。

扩频频率调制（SSFM）：此功能(néng)是许多(duō)Analog Devices利用(yòng)Linear™开关稳压器提供的选件，可(kě)帮助设计通过严格的EMI测试标准。在SSFM中，用(yòng)于驱动开关频率的时钟在已知范围内调制（例如，在已编程的fSW周围有(yǒu)±10％的变化）。这有(yǒu)助于在更宽的频率范围内分(fēn)配峰值噪声能(néng)量。

过滤器和屏蔽：过滤器和屏蔽在金钱和空间上总是昂贵的。它们也使生产复杂化。

以上所有(yǒu)偶然性都可(kě)以减少噪声，但是它们都有(yǒu)缺点。在電(diàn)源设计中将噪声降至最低通常是最干净的途径，但很(hěn)难实现。ADI SilentSwitcher®和Silent Switcher 2稳压器在稳压器处实现了低噪声，从而避免了额外的滤波，屏蔽或大量布局迭代的需要。避免昂贵的对策可(kě)加快产品上市时间，并节省大量成本。

最小(xiǎo)化電(diàn)流环路

為(wèi)了降低EMI，必须确定電(diàn)源電(diàn)路中的热环路（高di / dt环路）并减少其影响。热环路如图2所示。在一个标准降压转换器的一个周期中，交流電(diàn)流过蓝色环路，M1闭合，M2断开。在M1断开和M2闭合的关断周期中，電(diàn)流流过绿色环路。产生最高EMI的环路既不是蓝色环路也不是绿色环路，这不是完全直观的，只有(yǒu)紫色环路进行完全开关的交流，从零切换到IPEAK，然后再回到零。该环路称為(wèi)热环路，因為(wèi)它具有(yǒu)最高的ac和EMI能(néng)量。

开关热环路中的高di / dt和寄生電(diàn)感会引起電(diàn)磁噪声和开关振铃。為(wèi)了降低EMI并改善功能(néng)，需要尽可(kě)能(néng)降低紫色环路的辐射效应。热环路的辐射发射随其面积增加而增加，因此，如果可(kě)能(néng)的话，将热环路的PC面积减小(xiǎo)到零，并使用(yòng)具有(yǒu)零阻抗的理(lǐ)想電(diàn)容器可(kě)以解决该问题。

图2.降压转换器热循环。

使用(yòng)静音开关稳压器实现低噪声

磁抵消

不可(kě)能(néng)将热回路面积减小(xiǎo)到零，但是我们可(kě)以将热回路分(fēn)成极性相反的两个回路。这有(yǒu)效地包含了局部磁场，并且这些磁场在距IC任意距离处都可(kě)以有(yǒu)效地相互抵消。这就是静音开关稳压器背后的概念。

图3.静音开关稳压器中的電(diàn)磁抵消。

倒装芯片替代引線(xiàn)键合

改善EMI的另一种方法是缩短热回路中的导線(xiàn)。这可(kě)以通过取消将管芯连接到封装引脚的传统引線(xiàn)键合方法来实现。在封装中，硅被翻转并且铜柱被添加。通过缩短从内部FET到封装引脚和输入電(diàn)容器的距离，这进一步减小(xiǎo)了热环路的面积。

图4.拆开的LT8610中所示的引線(xiàn)键合。

图5.带有(yǒu)铜柱的倒装芯片。

静音切换器与静音切换器2

图6.典型的静音开关应用(yòng)程序原理(lǐ)图及其在PCB上的外观。

图6显示了使用(yòng)静音开关稳压器的典型应用(yòng)，通过两个输入電(diàn)压引脚上的对称输入電(diàn)容器可(kě)以识别该应用(yòng)。布局在该方案中很(hěn)重要，因為(wèi)静音开关技术要求这些输入電(diàn)容器尽可(kě)能(néng)对称地布置，以提供相互抵消的优势。否则，将失去静音切换器技术的优势。当然，问题是如何确保设计中以及整个生产过程中的正确布局？答(dá)案是Silent Switcher 2稳压器。

静音切换器2

Silent Switcher 2稳压器进一步降低了EMI。通过将電(diàn)容器集成到LQFN封装（VIN電(diàn)容，INTVCC和升压電(diàn)容）中，消除了EMI对PCB布局的性能(néng)敏感性，从而可(kě)以将其放置在尽可(kě)能(néng)靠近引脚的位置。所有(yǒu)热环路和接地层都是内部的，从而将EMI降至最低，并总體(tǐ)上减小(xiǎo)了解决方案的占板面积。

图7. Silent Switcher应用(yòng)程序与Silent Switcher 2应用(yòng)程序图。

图8.衰减的LT8640S Silent Switcher 2稳压器。

Silent Switcher 2技术还可(kě)以改善热性能(néng)。LQFN倒装芯片封装上的大型，多(duō)接地裸露焊盘有(yǒu)助于将热量从封装中抽出到PCB中。消除高電(diàn)阻键合線(xiàn)也可(kě)以带来更高的转换效率。在进行EMI性能(néng)测试时，LT8640S以很(hěn)大的幅度通过了CISPR 25 5类峰值限制。

µModule静音开关稳压器

利用(yòng)开发Silent Switcher产品组合时获得的知识和经验，并将其与已经足够广泛的µModule®产品组合相结合，使我们能(néng)够提供易于设计的電(diàn)源产品，同时满足電(diàn)源的一些最重要指标-热，可(kě)靠性，准确性，效率和出色的EMI性能(néng)。

图9显示了LTM8053包含两个输入帽，从而可(kě)以消除磁场，以及该電(diàn)源工作所需的许多(duō)其他(tā)无源元件。所有(yǒu)这些都是通过6.25 mm×9 mm×3.32 mm BGA封装实现的，客户可(kě)以将精力集中在電(diàn)路板设计的其他(tā)领域。

图9. LTM8053静音开关裸露的裸片和EMI结果。

无需LDO稳压器-電(diàn)源案例研究

典型的高速ADC需要许多(duō)電(diàn)压轨，其中一些電(diàn)压轨必须非常安静才能(néng)达到ADC数据表所列的最高性能(néng)。為(wèi)了达到高效率，小(xiǎo)板面积和低噪声之间的平衡，公认的解决方案是将开关電(diàn)源与LDO后稳压器结合使用(yòng)，如图10所示。开关稳压器能(néng)够以较高的效率实现相对较高的降压比，但是比较吵。低噪声LDO后稳压器效率相对较低，但它可(kě)以抑制开关稳压器产生的大部分(fēn)传导噪声。最小(xiǎo)化LDO后调节器的降压比有(yǒu)助于提高效率。这种结合产生干净的電(diàn)源，从而使ADC以最高性能(néng)运行。问题在于众多(duō)监管机构的布局复杂，

图10.為(wèi)AD9625  ADC供電(diàn)的典型電(diàn)源设计 。

在图10所示的设计中，显然需要权衡取舍。在这种情况下，低噪声是重中之重，因此效率和電(diàn)路板空间必须受到损害。或者可(kě)能(néng)不是。最新(xīn)一代的Silent Switcher µModule器件将低噪声能(néng)力的开关稳压器设计与µModule封装相结合，实现了迄今為(wèi)止难以实现的简单设计，高效，紧凑和低噪声的组合。这些稳压器最大程度地减少了電(diàn)路板面积，但也实现了可(kě)扩展性-可(kě)以通过一个µModule稳压器為(wèi)多(duō)个電(diàn)压轨供電(diàn)，从而进一步节省了面积和时间。图11显示了使用(yòng)LTM8065静音开关µModule稳压器為(wèi)ADC供電(diàn)的另一种功率树。

图11.使用(yòng)静音切换器µModule调节器為(wèi)AD9625供電(diàn)的节省空间的解决方案。

这些设计已经过相互测试。ADI公司最近发表的一篇文(wén)章对使用(yòng)图10和图11中的電(diàn)源设计的ADC性能(néng)进行了测试和比较。1测试了三种配置：

使用(yòng)开关稳压器和LDO稳压器為(wèi)ADC供電(diàn)的标准配置。

使用(yòng)LTM8065直接為(wèi)ADC供電(diàn)，无需进一步滤波。

将LTM8065与输出LC滤波器配合使用(yòng)可(kě)进一步净化输出。

测得的SFDR和SNRFS结果表明LTM8065可(kě)直接用(yòng)于為(wèi)ADC供電(diàn)，而不会影响ADC的性能(néng)。

此实施方案的核心好处是大大减少了组件数量，从而提高了效率，简化了生产并减小(xiǎo)了電(diàn)路板面积。