使用 DCDC 降壓轉(zhuǎn)換器功能來(lái)優(yōu)化汽車設(shè)計(jì)中的 EMI

每年，汽車制造商都會(huì)為汽車配備越來(lái)越多的傳感器和功能，從而增加汽車中的電子內(nèi)容并增加其電力需求。隨著功率水平的提高，曾經(jīng)依賴低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO) 的工程師現(xiàn)在可能需要使用降壓拓?fù)鋪?lái)滿足目標(biāo)效率。

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(gè)缺點(diǎn) - 其開關(guān)特性會(huì)產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)，這對(duì)于汽車應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。幸運(yùn)的是，工程師可以使用許多技巧和工具來(lái)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(huì)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(huì)干擾 AM/FM 無(wú)線電接收器和其他敏感設(shè)備，例如主機(jī)或高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 傳感器。嚴(yán)重的 EMI 可能會(huì)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(jì)符合官方標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，例如國(guó)際無(wú)線電干擾專業(yè)委員會(huì) (CISPR) 25 5 級(jí)。由于不良布局可能導(dǎo)致任何設(shè)備無(wú)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(shí)踐。降壓轉(zhuǎn)換器最重要的做法是：

· 減少電壓快速變化(高 dv/dt)的節(jié)點(diǎn)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，以最大限度地減少 EMI。

不幸的是，即使是最優(yōu)化的 PCB 布局也無(wú)法避免所有與 EMI 相關(guān)的問(wèn)題。此外，由于電路板尺寸和形狀或時(shí)間限制，通常無(wú)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(huì)導(dǎo)致 EMI，從而降低系統(tǒng)性能。即使有經(jīng)驗(yàn)和細(xì)心，董事會(huì)也可能需要進(jìn)一步優(yōu)化。這些額外的董事會(huì)修訂需要時(shí)間和金錢。那么，除了優(yōu)化布局以最大限度地降低應(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(wú)法優(yōu)化布局以獲得最佳 EMI，某些 DC/DC 轉(zhuǎn)換器會(huì)在器件級(jí)別提供許多封裝和功能改進(jìn)，以幫助最大限度地降低 EMI 并更容易滿足 CISPR 25 5 類限制。這些功能使電路板設(shè)計(jì)與布局更加無(wú)關(guān);換句話說(shuō)，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(cè)量的最大值。它通過(guò)抖動(dòng)開關(guān)頻率(加減一定百分比)來(lái)擴(kuò)展頻譜密度來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。例如，擴(kuò)展 ±2% 會(huì)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(cè)量值包絡(luò)，需要較少的濾波和布局優(yōu)化，從而節(jié)省時(shí)間和金錢。

轉(zhuǎn)換速率控制是另一個(gè)有助于提高 EMI 性能的功能。 EMI 的主要來(lái)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?gòu)妮斎腚娙堇娏?，?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(shí)間可以減慢即時(shí)電流消耗，從而減少振鈴和 EMI?？梢酝ㄟ^(guò)添加與啟動(dòng)電容器串聯(lián)的電阻器(大約幾歐姆)來(lái)減慢上升時(shí)間，并且某些器件具有專用的啟動(dòng)電阻器引腳。這里需要權(quán)衡：減慢 FET 的轉(zhuǎn)換可以最大限度地降低 EMI，但也會(huì)增加開關(guān)損耗，從而降低效率。

還有一些封裝級(jí)功能有助于抑制 EMI。 TI 的 HotRod 封裝就是一個(gè)例子，它消除了內(nèi)部鍵合線，如圖1所示。不連續(xù)電流會(huì)導(dǎo)致開關(guān)節(jié)點(diǎn)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(guò)來(lái)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。

圖 1通過(guò)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(wú)引線 (QFN) 封裝和 TI 的 HotRod QFN。

其他封裝級(jí)功能包括優(yōu)化的引腳排列。器件可以通過(guò)組織引腳布局來(lái)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(duì)稱引腳排列。將 VIN/PGND 對(duì)稱地放置在封裝的兩側(cè)，可以使輸入環(huán)路磁場(chǎng)保持獨(dú)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(duì)稱的 VIN/PGND 引腳對(duì)(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(lái)進(jìn)一步降低輸入寄生電感。 LMQ61460-Q1 在兩側(cè)均包含兩個(gè)集成輸入旁路電容器，每個(gè) VIN/PGND 對(duì)各一個(gè)。這些電容器是橫跨右上和右下引腳對(duì)(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。

最大限度地減少高頻 EMI 尤為重要，因?yàn)槠噾?yīng)用中常見的較高輸入電壓和較高輸出電流可能會(huì)加劇該領(lǐng)域的問(wèn)題。

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。

雖然 EMI 確實(shí)給汽車應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)，但如果設(shè)計(jì)工程師遇到電路板布局限制，他們也并非沒(méi)有選擇。有很多方法可以應(yīng)對(duì)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(jì)，以自信地滿足標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)設(shè)定的 EMI 限制。