从几款实用电路入手,解读实现复杂电子系统低电磁干扰的几种应用场景

亚德诺半导体 2020-09-08
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对于汽车、通信以及测试与测量设备等广大系统制造商来说,技术的发展带来了终端功能与性能的大幅提升,其根源在于系统中配备的功能愈加丰富的电子模块。然而功能越丰富,电路就越复杂,不论是新款汽车中装载的中控集成式多媒体系统、高性能音响系统,还是体积越来越小的5G通信设备(手机及基站),抑或是要求精度越来越高的仪器仪表,对于高精度数字和模拟IC的要求都愈发严苛,特别是在供电需求方面。


作为任何电子系统设计不可或缺的部分,电源性能的高低对于系统性能的高低有着至关重要的影响。而电磁干扰(EMI)特性则是其中最关键的性能之一。这种干扰通过电磁感应、静电耦合或传导来影响电路,对于电源性能的任何要求(功率密度增加、开关频率更高以及电流更大)都会扩大EMI的影响。因此,如果在设计初期不加以考虑,将会严重影响产品的性能及上市时间。针对此种现状,ADI推出了专为低EMI场景设计的Silent Switcher系列架构稳压器解决方案。


Silent Switcher架构这样消除EMI干扰




最常用的EMI管制标准是CISPR 25 Class 5,它详细说明了150 kHz至1 GHz频率下的可接受限值。要在达到该要求,通常会涉及复杂的设计和测试程序,包括在解决方案的尺寸、总效率、可靠性和复杂性等众多方面进行权衡。传统方法通过减慢开关边沿或降低开关频率来控制EMI,由此带来的弊端是效率降低,最小开关时间增加,解决方案尺寸增大。替代缓解方案包含庞大复杂的EMI滤波器、缓冲器或金属屏蔽,这会显著增加电路板空间、元件和装配方面的成本,并使热管理和测试复杂化。


Silent Switcher降压型稳压器设计在高开关频率(>2 MHz)下提供高效率、超低电磁干扰辐射,从而可实现非常紧凑且低噪声的降压解决方案。该系列采用了特殊的设计和封装技术:在设计上,通过将热回路分成极性相反的两个回路,形成可以相互抵消的局部磁场;在封装上,通过倒装硅芯片并添加铜柱来缩短内部FET到封装引脚和输入电容的距离,以缩小热回路的范围。利用上述技术,Silent Switcher在2 MHz下能够实现>92%的效率,同时可以轻松符合CISPR 25 5类峰值EMI限制。


Silent Switcher稳压器中的磁场抵消


新一代的Silent Switcher 2技术的内部结构采用铜柱代替键合线,增加了内部旁路电容,以及集成式衬底接地平面以进一步提高EMI,使其对PCB布局不敏感,从而可简化设计并降低性能风险。


典型的Silent Switcher应用原理图及其在PCB上的外观


采用Silent Switcher架构的几大典型应用场景




1

应对车载高电流应用

汽车应用要求系统不产生可能干扰其他汽车系统正常运行的电磁噪声。例如,开关电源是高效率电源转换器,但会产生不受欢迎的可能影响其他系统的高频信号。开关稳压器噪声发生在开关频率及其谐波处。受此类噪声影响的传感器和其他仪器可能会运行不正常,引起可闻噪声或严重的系统故障。


下图展示了一种低 IQ(静态电流)、低噪声解决方案,支持汽车I/O和外设的高电流应用。前端的LT8672保护电路免受电池反向故障和高频交流纹波的影响,正向压降只有几十mV。LT8650S的开关频率为 400 kHz,输入范围为3 V至40 V,两个通道并联工作时输出能力为8 A。两个去耦电容靠近LT8650S的输入引脚放置。由于采用 Silent Switcher 2技术,即使没有安装EMI滤波器,高频EMI性能也十分出色。该系统符合CISPR 25 Class 5峰值和均值的限值要求,而且裕量很大。


 

LT8672 和 LT8650S 配置用于高输出电


下图显示了在30 MHz至1 GHz范围内的垂直极化的辐射EMI均值测试结果。完整解决方案具有原理图简单、总元件数非常少、尺寸紧凑等特点,而且EMI性能不受电路板布局变化的影响。


 

LT8672 和 LT8650S EMI 性能:30 MHz 至 1 GHz


2

应对宽调光比LED照明应用

LED 照明的许多应用都需要宽调光比。以汽车为例,汽车平视显示器、信息娱乐系统和仪表盘照明中使用的 LED 背光灯必须具备足够的亮度,以便与在白天不断涌入车内的直射阳光相抗衡,而且还能把亮度降低几个数量级,以避免在夜间使驾驶者出现瞬间致盲。这种极端 LED 调光要求在不增加昂贵降噪组件和复杂性的情况下会难以符合 CISPR EMI 标准。


LT3932 通过纳入许多旨在最大限度降低 EMI 的内置功能,使得可同时实现高调光比和低 EMI:

  • 借助其用于低 EMI 热环路的 Silent Switcher® 架构最大限度降低 EMI。

  • 内置的扩展频谱频率调制 (SSFM) 功能电路有助降低传导和辐射 EMI。

  • LT3932 的转换速率是受控的,以在保持低噪声性能的同时优化效率。

 

2MHz 汽车 LED 驱动器具有低 EMI 和在内部产生的 PWM 调光以及整个输入范围内的 90% 峰值效率 (未采用 EMI 滤波器时效率为 ~91%)


集成了 36V、2A 开关的 LT3932 同步降压型 LED 驱动器将其高效率集成化电源开关内置在一个小外形 4mm x 5mm QFN 封装中,并能以高达 2MHz 开关频率运行,适用于紧凑的高带宽设计。凭借用于处理开路和短路 LED 的内置故障保护功能,以及旨在帮助降低 EMI 的扩展频谱频率调制,LT3932 可满足汽车和工业 LED 照明应用的苛刻要求。


 

LT3932 电路通过了 CISPR 25 Class 5 辐射平均 EMI 测试


3

应对高精度测试测量应用

为了确保高精度,精密测试和测量系统需要具有低纹波和辐射噪声的电源解决方案,从而不会降低高分辨率转换器信号链的性能。在这些测试和测量应用中,生成双极和/或隔离系统电源给系统设计人员带来了电路板面积、开关纹波、EMI和效率方面的挑战。


许多精密测试和测量仪器(如源表或电源)需要进行多象限操作,以获取并测量正负信号。这就需要从单个具有低噪声的正电源输入有效地生成正负电源。使用Silent Switcher、μModule稳压器 LTM8074 提高降至更低电压的高效率解决方案如下图所示。


在低EMI的情况下将电压降至更低电压轨的电源解决方案


LTM8074是采用小型4 mm × 4 mm尺寸BGA封装的Silent Switcher、µModule降压稳压器,能够以低辐射噪声提供高达1.2 A电流。此µModule器件效率高且具有极低的辐射噪声,因此是为噪声敏感精密信号链供电的绝佳选择。根据连接到放大器、DAC或ADC等由电源供电元件的PSRR,也许可以从Silent Switcher输出端直接为其供电,无需LDO稳压器进一步过滤电源纹波,而传统开关需要这样做。1.2A的高输出电流也意味着在需要的情况下,它可用于为FPGA等系统中的数字硬件供电。LTM8074的小尺寸和高集成度使其非常适合空间受限应用,同时简化并加速开关稳压器电源的设计和布局。


总结




电子系统当前和未来都在不断发展普及,可以预见,对低 EMI的要求注定会越来越严苛。基于此,ADI将会不断地发展Silent Switcher架构,不断地提供越来越多的解决方案,以帮助系统设计人员更加从容应对现在、以及将来的各种挑战。


各位小伙伴,你们对ADI的Silent Switcher技术有着怎样的了解呢?在文末留言与大家分享下,说不定会有小奖品砸中你哦~(ps.如果你需要ADI Power领域的技术支持,可以上咱们ADI官方中文社区进行发帖提问,点击“阅读原文”即可进入~)


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