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从集成电路设计源头解决电源的EMI问题

时间:2021-11-08 作者:ADI 阅读:
开关电源作为EMI“大户”,其电路板的布局设计非常关键,决定了每一种电源设计的成败。然而开关电源布局在设计过程中会经常被忽视,最终发现其至关重要却为时已晚。而每每当EMI不过关,EMC分析成为团队经验的“试金石”,需要丰富的理论知识和实践经验,整改耗时耗力。
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硬件工程师大概很大比例有过类似的烦恼:费心费力加班加点终于把老板要求已久的样机做出来,结果EMC测试不达标需要改版;产品因电源EMI问题迟迟不能上线,搞得焦头烂额灰头土脸,却依然找不出整改方案……

开关电源作为EMI“大户”,其电路板的布局设计非常关键,决定了每一种电源设计的成败。然而开关电源布局在设计过程中会经常被忽视,最终发现其至关重要却为时已晚。而每每当EMI不过关,EMC分析成为团队经验的“试金石”,需要丰富的理论知识和实践经验,整改耗时耗力。如果从设计之初就考虑降低电源的EMI,是否就能免受上述问题的困扰,节省更多的人力和物力呢?ADI的设计师们也早都在考虑这个问题,并探寻出了一个简化电源EMC设计的专利技术——Silent Switcher。

从PCB上的EMI疏与堵到源头求解

电源的开关交流电流,电流从零切换至峰值,然后再回到零,因此它有最高的交流电流和EMI能量。此外,在电路工作时,开关瞬变通过寄生电阻、电感和电容的耦合作用产生高频谐波。过以上分析,我们了解了EMI产生的原因,那怎么才能降低或预防EMI呢?

从电源电路设计上看,我们可以通过以下方式来降低EMI,包括:尽量减少PCB上热回路的面积,并降低电容和电感自身及PCB走线引入的寄生阻抗(这种方式对布局和器件参数有要求,而且改善EMI的效果比较有限);通过减慢内部开关驱动器或外部添加缓冲器,降低MOSFET的开关速度(这种方式会增加开关损耗,降低转换器的效率);采用展频(SSFM)技术,使EMI能量被打散分布在电路的整个频域内(但这样会在已知范围内引起系统时钟抖动);也可采用添加滤波器或屏蔽的办法来降低EMI(但这需要更多的外部元件和电路板面积)。

最好的办法就是不需要办法——电源主电路方案本身充分考虑了EMI问题,在不影响电源性能和增加外部元器件的前提下来有效地减少EMI。这就是ADI的专利技术 -- Silent Switcher相关系列电源方案的设计初衷。

创新技术Silent Switcher从根本上消除EMI源

ADI的Silent Switcher技术采用两个对称分布的输入热回路,这两个回路产生磁场方向是相反的,能量相互抵消,从而电气回路对外没有净磁场(如下图)。因此,Silent Switcher技术无需降低MOSFET的开关速度,解决了EMI和效率之间的权衡问题。

Silent Switcher拓扑(右图)

 

Silent Switcher电磁感应示意图

此外,Silent Switcher技术采用创新的铜柱倒装封装工艺,这种工艺可以大大降低芯片管脚的寄生阻抗,在降低EMI的同时,可以提升转换器的效率。

铜柱倒装封装(右图)与传统封装的对比

目前,ADI的Silent Switcher技术已经发展到第2代,第1代技术Silent Switcher 1(如LT8614)需要在芯片两侧的VIN 和GND之间分别放置一个输入电容,并且要求两侧电容与对应的VIN和GND管脚围成的环路尽量小且对称,对电路布局布线和电容的一致性有一定要求。

Silent Switcher 1的对电路布局仍有一定要求

Silent Switcher 第二代产品将两个输入热回路中需要对称放置的电容集成在芯片的内部,降低了Silent Switcher对电源电路布局的敏感性,减少了外部元件,同时可缩小热回路的面积,降低EMI。

Silent Switcher 2内部集成了热回路电容,设计更简单

另外,ADI也推出了采用Silent Switcher技术的μModule稳压器微型模块化电源系列,内部集成MOS和功率电感,如LTM4700、LTM8071、LTM8024、LTM8078等,为用户提供了简单可靠、高性能和高电源密度的解决方案。

传统电源方案与Silent Switcher技术的EMC比较

在不增加开关导通时间的前提下,大大降低开关节点信号上升沿的振铃,从而降低EMI. 下下图是采用Silent Switcher技术的LT8614和传统的降压转换器LT8610在同等条件下的波形对比。采用Silent Switcher 2技术可以做到更快的导通时间和更低的振铃。

下图是LT8610和LT8614在相同条件下进行EMC测试的对比,可以看到,相对EMC表现不错的LT8610,LT8614的EMI更低,多出大约20dB的裕量。

LT8614与LT8610 EMC测试结果对比

采用Silent Switcher 2的转换器EMI水平更低,在2层PCB上也可以通过严格的CISPR 25 Class 5测试。可选的扩展频谱调制功能,可以进一步降低EMI。例如LT8640S同步降压稳压器就采用了第二代超低噪声开关稳压器架构,最大程度地降低了EMI辐射,其中包含集成旁路电容以优化内部所有快速电流环,并通过降低布局敏感性轻松实现宣传的EMI性能。因此LT8640S非常适合噪声敏感应用和环境。

LT8640S应用电路外围电路设计非常简单

结语

通过以上分析,ADI的Silent Switcher技术可以在不影响电源性能和增加外部元器件的前提下有效地降低EMI,是一种从设计之初就降低电源EMI辐射的简单的、行之有效的方法。Silent Switcher功能使开关模式电源设计更容易满足CISPR 32和CISPR 25等各种抗噪标准要求。因为这类器件能够在大于2 MHz开关频率下进行高效转换,并且对转换效率的影响最小。此外,其内部旁路电容减少EMI辐射并提供更紧凑的解决方案占板空间。目前推出的Silent Switcher 2技术产品已经基本上消除了PCB布局的敏感性。

责编:Luffy Liu

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