輕松解決汽車(chē)環(huán)境中的EMI問(wèn)題

背景

印刷電路板布局決定著(zhù)所有電源的成敗，決定著(zhù)功能、電磁干擾(EMI)和受熱時(shí)的表現。開(kāi)關(guān)電源布局不是魔術(shù)，并不難，只不過(guò)在最初設計階段，可能常常被忽視。然而，因為功能和EMI要求都要必須滿(mǎn)足，所以對電源功能穩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。還應該提到的是，從一開(kāi)始就設計一個(gè)良好的布局不會(huì )增加任何費用，實(shí)際上還可以節省費用，因為無(wú)需 EMI濾波器、機械屏蔽、花時(shí)間進(jìn)行EMI測試和修改PC板。

此外，當為了實(shí)現均流和更大的輸出功率而并聯(lián)多個(gè)DC/DC開(kāi)關(guān)模式穩壓器時(shí)，潛在的干擾和噪聲問(wèn)題可能惡化。如果所有穩壓器都以相似的頻率工作(開(kāi)關(guān))，那么電路中多個(gè)穩壓器產(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)令人擔憂(yōu)的問(wèn)題，尤其是如果該PC板以及其他系統板上其余的IC相互靠得很近，易于受到這種輻射能量影響時(shí)。在汽車(chē)系統中，這一問(wèn)題可能尤其麻煩，因為汽車(chē)系統是密集排列的，而且常?？拷纛l、RF、CAN總線(xiàn)和各種雷達系統。

應對開(kāi)關(guān)穩壓器噪聲輻射問(wèn)題

在汽車(chē)環(huán)境中，常常在重視散熱和效率的區域采用開(kāi)關(guān)穩壓器來(lái)取代線(xiàn)性穩壓器。此外，開(kāi)關(guān)穩壓器一般是輸入電源總線(xiàn)上的第一個(gè)有源組件，因此對整個(gè)轉換器電路的EMI性能有顯著(zhù)影響。

EMI輻射有兩種類(lèi)型：傳導型和輻射型。傳導型EMI取決于連接到一個(gè)產(chǎn)品的導線(xiàn)和電路走線(xiàn)。既然噪聲局限于方案設計中特定的終端或連接器，那么通過(guò)前述的良好布局或濾波器設計，常常在開(kāi)發(fā)過(guò)程的早期，就可以保證符合傳導型EMI要求。

然而，輻射型EMI卻另當別論了。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(xiàn)都是一個(gè)天線(xiàn)，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，任何信號都產(chǎn)生覆蓋整個(gè)信號頻譜的噪聲。即使經(jīng)過(guò)仔細設計，在系統接受測試之前，設計師也永遠不會(huì )真正知道輻射型EMI將有多么嚴重。而且在設計基本完成以前，不可能正式進(jìn)行輻射EMI測試。

濾波器可以在某個(gè)頻率上或整個(gè)頻率范圍內衰減強度以降低EMI。部分能量通過(guò)空間(輻射)傳播，因此可增設金屬屏蔽和磁屏蔽來(lái)衰減。而在PCB走線(xiàn)上 (傳導) 的那部分則可通過(guò)增設鐵氧體磁珠和其他濾波器來(lái)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字組件可接受的水平。此外，幾家監管機構強制執行一些標準以確保符合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(guò)，這種改進(jìn)被開(kāi)關(guān)穩壓器開(kāi)關(guān)工作頻率的提高抵消了。更快速的開(kāi)關(guān)轉換產(chǎn)生了更高的效率、很短的最短接通和斷開(kāi)時(shí)間，因此產(chǎn)生了更高的諧波分量。在開(kāi)關(guān)容量和轉換時(shí)間等所有其他參數保持不變的情況下，開(kāi)關(guān)頻率每增大一倍，EMI就惡化6dB。寬帶EMI的表現就像一個(gè)一階高通濾波器一樣，如果開(kāi)關(guān)頻率提高10倍，就會(huì )增加 20dB輻射。

有經(jīng)驗的PCB設計師會(huì )將熱點(diǎn)環(huán)路設計得很小，并讓屏蔽地層盡可能靠近有源層。然而，器件引出腳配置、封裝構造、熱設計要求以及在去耦組件中存儲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(wèn)題更加復雜的是，在典型的平面印刷電路板中，走線(xiàn)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，因為諧波頻率越高，不想要的磁耦合就變得越加有效。

應對這些EMI問(wèn)題的全新解決方案

可靠和真正應對EMI問(wèn)題的解決方案是，將整個(gè)電路放在屏蔽盒中。當然，這么做增加了成本、增大了所需電路板空間、使熱量管理和測試更加困難并導致額外的組裝費用。另一種經(jīng)常采用的方法是減緩開(kāi)關(guān)邊沿。這么做會(huì )產(chǎn)生一種不想要的結果，這就是降低效率、增大最短接通和斷開(kāi)時(shí)間、產(chǎn)生有關(guān)的死區時(shí)間，有損于電流控制環(huán)路可能達到的速度。

凌力爾特不久前推出了LT8614 Silent Switcher穩壓器，該器件無(wú)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(jiàn)圖1。LT8614 還具有世界級的低IQ，工作電流僅為2.5μA。這是該器件在無(wú)負載穩壓狀態(tài)時(shí)消耗的總電源電流。

圖1:LT8614 Silent Switcher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部頂端開(kāi)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(kāi)時(shí)間限制。該器件在出現壓差時(shí)跳過(guò)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)周期，僅執行所需的最短斷開(kāi)周期，以保持內部頂端開(kāi)關(guān)升壓級電壓持續提供，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，因為其總的開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗很低，因此它能夠以高開(kāi)關(guān)頻率工作而效率損失最小。在對EMI敏感的應用中(諸如在許多汽車(chē)環(huán)境中常見(jiàn)的那些應用) 可以實(shí)現良好的平衡，而且LT8614能夠在低于A(yíng)M頻帶(以實(shí)現甚至更低的EMI) 或高于A(yíng)M頻帶的頻率上工作。在工作開(kāi)關(guān)頻率為700kHz的設置中，標準LT8614演示電路板不超過(guò)CISPR25 - Calls 5測量結果的噪聲層。

圖2所示測量結果是在電波暗室和以下條件下取得的：12Vin、3.3Vout/2A，固定開(kāi)關(guān)頻率為700kHz。

為了比較采用Silent Switcher技術(shù)的LT8614和另一種目前最新的開(kāi)關(guān)穩壓器LT8610，對LT8614和 LT8610進(jìn)行了測試。該測試是在GTEM單元中進(jìn)行的，對兩款器件的測量采用了標準演示電路板以及相同的負載、輸入電壓和相同的電感器。

可以看到，與LT8610已經(jīng)非常好的EMI性能相比，采用LT8614 Silent Switcher技術(shù)的LT8614實(shí)現了多達20dB的改進(jìn)，尤其是在更難以管理的高頻區。這使得可以實(shí)現更簡(jiǎn)單、更緊湊的設計，與其他敏感系統相比，在總體設計上，LT8614開(kāi)關(guān)電源對濾波的要求更低。

在時(shí)間域，LT8614在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)邊沿上表現得非常好，如圖4所示。即使在每格4ns的情況下，LT8614 Silent Switcher穩壓器顯示出非常小的振鈴 (參見(jiàn)圖3中的通道2)。LT8610的振鈴也很好地衰減了 (圖3通道1)，但是可以看到這與LT8614 (通道2) 相比，LT8610熱點(diǎn)環(huán)路存儲了較高能量。