5A、3.3V和5V電源符合嚴格的EMI輻射標準

簡(jiǎn)介

嚴苛的汽車(chē)和工業(yè)環(huán)境中的噪聲敏感型應用需要適用于狹小空間的低噪聲、高效率降壓穩壓器。通常會(huì )選擇內置MOSFET功率開(kāi)關(guān)的單片式降壓穩壓器，與傳統控制器IC和外部MOSFET相比，這種整體解決方案的尺寸相對較小?？稍诟哳l率（遠高于AM頻段的2 MHz范圍內）下工作的單片式穩壓器也有助于減小外部元件的尺寸。此外，如果穩壓器的最小導通時(shí)間(T_ON)較低，則無(wú)需中間穩壓，可直接在較高的電壓軌上工作，從而節約空間并降低復雜性。減少最小導通時(shí)間需要快速開(kāi)關(guān)邊沿和最小死區時(shí)間控制，以有效減少開(kāi)關(guān)損耗并支持高開(kāi)關(guān)頻率操作。

另一種節約空間的方式是減少所需的組件數，以滿(mǎn)足電磁干擾(EMI)標準和散熱要求。遺憾的是，在很多情況下，簡(jiǎn)單地縮減轉換器尺寸難以滿(mǎn)足這些需求。本文介紹的先進(jìn)解決方案可節約空間，同時(shí)可實(shí)現低EMI和出色的散熱性能。

選擇開(kāi)關(guān)模式電源轉換器是由于其效率高，尤其是在高降壓比下，但需要權衡開(kāi)關(guān)操作產(chǎn)生的EMI因素。在降壓轉換器中，開(kāi)關(guān)中的快速電流變化（高di/dt）和熱回路中寄生電感導致的開(kāi)關(guān)振鈴會(huì )產(chǎn)生EMI。

EMI只是系統設計工程師在嘗試設計緊湊型高性能電源時(shí)必須考慮的參數之一。許多關(guān)鍵設計約束通常相互沖突，需要在設計限制和上市時(shí)間方面做出重大妥協(xié)。

圖1.慢開(kāi)關(guān)邊沿意味著(zhù)除了占空比損耗之外，還存在大量開(kāi)關(guān)損耗。

提高EMI性能

要減少降壓轉換器中的EMI，必須盡量減少熱回路的輻射效應，并使源極信號最小。有多種方式可減少輻射EMI，但其中很多也會(huì )同時(shí)降低穩壓器的性能。

例如，在典型的分立式FET降壓穩壓器中，通過(guò)外部柵極電阻、升壓電阻或緩沖器來(lái)降低開(kāi)關(guān)邊沿的速度，以減少EMI，這也是符合汽車(chē)工業(yè)嚴格的輻射排放標準的最后一種解救方法。這樣快速解決EMI問(wèn)題均以損失性能為代價(jià)；例如效率降低、組件數目增多，解決方案尺寸加大。開(kāi)關(guān)邊沿速度慢則會(huì )增加開(kāi)關(guān)損耗和占空比損失。轉換器必須在較低的頻率下工作（例如，400 kHz）才能獲得令人滿(mǎn)意的效率，并通過(guò)強制性電磁輻射EMI測試。圖1顯示了分別具有快開(kāi)關(guān)邊沿和慢開(kāi)關(guān)邊沿的典型開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓波形。如圖所示，開(kāi)關(guān)邊沿速度明顯變慢，導致開(kāi)關(guān)損耗增加，最小占空比或降壓比顯著(zhù)增加，更不用說(shuō)對性能產(chǎn)生的其他負面影響。

降低開(kāi)關(guān)頻率也會(huì )增加轉換器電感、輸出電容和輸入電容的物理尺寸。同時(shí)，需要使用一個(gè)大尺寸π濾波器以通過(guò)傳導輻射測試。隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率降低，濾波器中的電感L和電容C需相應增大。在低壓線(xiàn)路滿(mǎn)載條件下，電感電流額定值應大于最大輸入電流。因此，前端需要使用一個(gè)大尺寸電感和多個(gè)電容以符合嚴格的EMI標準。

例如，在400 kHz（而不是2 MHz）開(kāi)關(guān)頻率下，除了增加電感和電容的尺寸外，EMI濾波器中的電感和電容也必須相對較大，才能達到汽車(chē)應用中的傳導EMI標準要求。其中一個(gè)原因是它們不僅必須衰減400 kHz的開(kāi)關(guān)基頻，還必須衰減高達1.8 MHz的所有諧波。工作頻率為2 MHz的穩壓器就沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題。圖2為2 MHz解決方案和400 kHz解決方案的尺寸對比。

屏蔽可能是減少電磁輻射的最后一種補救方式，但屏蔽需要占用空間，而應用可能無(wú)法提供，并且需要進(jìn)行額外的機械設計和測試迭代。

為避開(kāi)AM頻率帶寬并保持較小的解決方案尺寸，汽車(chē)應用首選2 MHz或更高的開(kāi)關(guān)頻率。避免AM頻段后，就只有確保將高頻噪聲（也稱(chēng)為諧波）和開(kāi)關(guān)振鈴降至最低的問(wèn)題。遺憾的是，高頻開(kāi)關(guān)通常會(huì )導致電磁輻射從30 MHz增加到1 GHz。

有些開(kāi)關(guān)穩壓器具有快速干凈的開(kāi)關(guān)邊沿，可減少EMI，如ADI Power by Linear?系列中的Silent Switcher^?器件。我們先來(lái)看看其他一些有用的功能。

圖2.2 MHz解決方案與400 kHz解決方案尺寸對比。

展頻(SSFM)是一項在已知范圍內使系統時(shí)鐘抖動(dòng)的技術(shù)，由此將EMI能量分布在頻域上。雖然普通開(kāi)關(guān)電源所選的開(kāi)關(guān)頻率通常會(huì )在A(yíng)M頻段之外（530 kHz至1.8 MHz），但在A(yíng)M頻段內，未經(jīng)調制的開(kāi)關(guān)諧波仍可能不符合嚴格的汽車(chē)EMI要求。添加SSFM功能可明顯減少AM頻段內及其他區域中的EMI。

圖3顯示了一個(gè)超低EMI且高效率的12 V至5 V/5 A轉換器，其使用LT8636 Silent Switcher單片式降壓穩壓器在2 MHz開(kāi)關(guān)頻率下工作。圖4顯示了測試演示電路在14 V輸入和5 V、5 A輸出時(shí)的傳導和輻射EMI性能。在前端，小電感和陶瓷電容有助于濾除傳導噪聲，而鐵氧體磁珠和陶瓷電容有助于減少輻射噪聲。兩個(gè)小陶瓷電容放在輸入和接地引腳上，將熱回路面積減至最小，同時(shí)分離熱回路，幫助消除高頻噪聲。

為改進(jìn)EMI性能，電路設置為在展頻模式下工作：SYNC/MODE = INTV_CC。使用三角頻率調制來(lái)調節開(kāi)關(guān)頻率，調節范圍為RT設置的值到比該值約高20%，即LT8636設為2 MHz時(shí)，在3 kHz速率下，頻率將在2 MHz至2.4 MHz之間變化。

圖3.展頻模式下的超低EMI LT8636 5 V/5 A降壓轉換器，峰值電流為7 A，工作電壓5.7 V至42 V。

從傳導EMI頻譜可以明顯看出，峰值諧波能量被分散開(kāi)來(lái)，從而降低了任何特定頻率的峰值幅度—由于擴頻功能，噪聲至少減少了20 dBμV/m。從輻射EMI頻譜也可以明顯看出，展頻模式也可以減少輻射EMI。該電路符合嚴苛的汽車(chē)級CISPR 25 Class 5輻射EMI要求，僅需在輸入側使用簡(jiǎn)單的EMI濾波器。

圖4.具有和沒(méi)有展頻模式的CISPR 25電磁輻射EMI。