如何告别恼人的EMI,让电源”安静”下来?来跟ADI学一招儿~

电源设计有时候就像是在“走钢丝”,需要在效率、功率密度、系统体积、EMI、系统成本等各种因素之间做取舍,根据实际应用要求达到最佳的平衡状态。而在需要考虑的诸多因素中,电磁干扰(EMI)是绝对不容忽视的一个,也是最令人头疼的一个。

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电源设计中令人烦恼的EMI

大家知道,由于在效率、集成度、灵活性上的优势,今天的电源设计中,开关稳压器的使用越来越普遍,但是噪声大、更容易产生EMI问题,则是开关稳压器天生的“短板”。

究其原因,这是因为开关稳压器工作时需要不断开关电流,这些电流通常比较大,而每当电流流动时,就会产生磁场,大电流的快速开关就会产生交变磁场;同时,由于电流路径中存在寄生电感,在开关时也会产生电压失调。可以想见,电流的变化会容性耦合到相邻的电路部件中,增加电源的噪声辐射。

“图1:简化后的同步降压稳压器的原理图(图源:ADI)”
图1:简化后的同步降压稳压器的原理图(图源:ADI)

以常见的降压稳压器为例(如图1), 在M1关闭而M2打开的开启周期中,交流电流在实线蓝色回路中流动;在关闭周期中,当M1打开而M2关闭时,交流电流在绿色虚线回路中流动;而虚线红色回路中流动的则是具有高di/dt全开关交流电流,从零切换至峰值,再回到零,它有最高交流电流和EMI能量,也被称为热回路,会导致电磁噪声和开关振铃。

可见要减少EMI,就应该尽量减少虚线红色热回路的辐射效应。理论上讲,如果能够将热回路的PCB电路板面积减少到零,并且能够买到具有零阻抗的理想电容,就能解决这个问题。但这显然是不现实的,因此人们就需要寻找其他可行且有效的解决方案。

减小开关稳压器EMI,最直接的方法通常有两个:

1、降低MOSFET开关的频率

但是这种做法会增加开关损耗;而且更高的开关频率所需的外部电感值和输出电容值更小,可以使用外形更小的外部元件,对减小电源系统的体积很有帮助,这个好处往往是电源工程师“难于割舍”的。此外在汽车等应用中,大于2MHz的开关频率可以避免在AM频段产生噪声,这也是十分必要的考虑。

2、使用额外的滤波器和屏蔽

但这显然会增加系统的复杂度、电路板的面积和成本,因此这种方案在很多应用中也不得不被pass掉。

那么是否存在一种能够同时满足高效率、高开关频率和低EMI要求的技术方案,让工程师在电源设计时不再纠结呢?答案是肯定的,这就是Analog Devices(以下简称ADI)的Silent Switcher技术。

Silent Switcher技术浅析

由于采用了特殊设计和封装技术,Silent Switcher架构能在大于2MHz的高开关频率下提供高效率(高达95%)并具有超低EMI辐射,满足CISPR 25 Class 5等行业规范对峰值EMI限制的要求,且方案外形也非常紧凑。这种“鱼和熊掌兼得”的效果,是如何做到的呢?

首先我们通过图2来比较一下没有采用Silent Switcher架构的开关稳压器(LT8640,左边)与采用Silent Switcher架构的开关稳压器(LT8614,右边)之间在电路设计上的差异。可以看到,两者一个明显的差别就是LT8614有两个VIN引脚和两个接地引脚——这一点十分重要, 因为通过在芯片两侧的VIN和接地引脚之间放置两个输入电容,两个对称分布的输入热回路产生的反向磁场相互抵消,可有效地消除磁场,降低EMI辐射。

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图2:是否采用Silent Switcher架构,在器件设计上的差异(图源:ADI)

此外,在封装方面,Silent Switcher架构的器件还使用了铜柱倒装芯片封装的方式,由于不需要使用焊线键合式装配技术,可以避免产生大的寄生电阻和电感,从而减小封装寄生电感,进一步优化了EMI特性。

根据ADI提供的测试数据,将采用Silent Switcher技术的LT8614稳压器与LT8610进行比较,在相同负载、相同输入电压和相同电感的条件下,LT8614的EMI表现提高了20dB。可以说Silent Switcher技术对于那些需要更高开关频率,且对噪声和系统尺寸更为敏感的应用,是一个理想的解决方案。

更让人惊喜的是,ADI在Silent Switcher技术的持续演进上并没有止步。在推出基于Silent Switcher的器件之后,ADI逐渐发现,尽管在数据手册中给出了详细的原理图和PCB布局建议,但是在实际设计中,一些客户仍然会遇到开发门槛,达不到预想的EMI抑制效果。如何进一步降低PCB布局这个门槛也就成了Silent Switcher技术发展的下一个目标。

为此,ADI提出了一个升级的方案——Silent Switcher 2架构,在这个新方案中,ADI将VIN电容、INTVCC和升压电容都集成到了LQFN封装中,使其尽可能靠近引脚放置,这样设计的优势在于将所有热回路和接地层都包括在内,从而进一步降低了EMI,同时使得外部元件更少,方案尺寸更小,消除了PCB布局对EMI的影响。

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图3:采用Silent Switcher 2架构的LT8640S,与采用Silent Switcher架构的LT8640相比,有更高的电容集成度和更少的外部元件(图源:ADI)

Silent Switcher 2技术还通过LQFN倒装芯片封装上的多个大尺寸接地裸露焊盘,提高封装和PCB散热性能,同时由于消除了高电阻键合线,也进一步提升了电源转换效率。

这些设计,使得Silent Switcher 2器件在满足电源设计规格要求的同时,也能够轻松满足CISPR 25 Class 5这样的EMI辐射峰值限制要求并且有较大的裕量。

在Silent Switcher架构器件选型时,识别其是“第一代”还是“第二代”的方法很简单——如果其以“S”为后缀,这说明是具有更高电容集成度、更为“安静”的Silent Switcher 2产品。

挑选一颗给力的Silent Switcher器件

既然Silent Switcher技术这么给力,ADI自然也是在全力加速其应用的扩展,将其集成到更多的电源管理方案之中。

LT8653S就是一款ADI新近推出的基于Silent Switcher 2技术、输入电压范围为3V至42V的双通道2A同步降压型稳压器,它能在高频率下实现高效率。具有出色的EMI性能——当LT8653S的开关频率为2MHz时,稳压器在12V输入和5V输出时的峰值效率达到94.8%,而在24V输入和5V输出时,效率也达到了92.1%,可以满足汽车、工业、计算、通信和通用降压等应用的需求。

“图4:兼具高效率和低EMI的降压型稳压器LT8653S(图源:ADI)”
图4:兼具高效率和低EMI的降压型稳压器LT8653S(图源:ADI)

“图5:LT8653S产品框图(图源:ADI)"
图5:LT8653S产品框图(图源:ADI)

LT8653S支持突发工作模式(Burst Mode),两个输出均处于稳压状态时仅需要6.2μA的静态电流,这是电池供电系统的一个关键特性。LT8653S还提供强制连续模式和展频SSFM操作。SSFM模式通过将能量扩散到更宽的频谱范围内,降低了基波工作频率和谐波附近的峰值辐射,为抑制EMI提供了新的技能。

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图6:基于Silent Switcher 2技术的LT8650S可以轻松满足CISPR 25 Class 5对峰值EMI限制的要求(图源:ADI)

LT8653S提供外部补偿选项,可用于优化瞬态响应,或者简单起见,也可使用内部补偿,增加了设计灵活性。该器件还提供固定输出选项,两个输出电压可选引脚可产生5 V、3.3 V和1.8 V输出,无需使用外部反馈电阻,简化系统BOM。LT8653S内部稳压器由3.3 V输出通过BIAS引脚供电的设计,进一步降低了功耗。

“图7:LT8653S的效率表现优异(图源:ADI)"
图7:LT8653S的效率表现优异(图源:ADI)

除了LT8653S这样的器件,ADI也在尝试将Silent Switcher技术与μModule稳压器模块产品线结合,将低EMI开关稳压器IC和电容、电感集成在微型稳压器模块中,为用户提供一个简单可靠、高性能和高电源密度的解决方案。

LTM8073就是一个代表性的μModule稳压器产品,它是一款40VIN、双路1.4A/单路2.8A降压器件,在单一封装内集成了控制器、电源开关、电感器和支持组件,由于采用了Silent Switcher架构,可在3MHz的高频率下实现高效率。

LTM8078支持宽电压范围工作,支持0.8V至10V输出电压;其开关频率范围为300kHz至3MHz,每个范围均由单个电阻器设定;只需采用大容量的输入和输出滤波电容器即可完成设计……对于“图省事”的开发者,这显然是一个理想选择。

“图8:高效、低EMI的μModule稳压器模块LTM8078(图源:ADI)"
图8:高效、低EMI的μModule稳压器模块LTM8078(图源:ADI)

本文小结

随着电子系统越来越复杂,电源设计的EMI问题也越来越严峻。想让电源“安静”下来,不因为EMI问题在产品设计开发的后期陷入EMI整改的“麻烦”之中,从源头的选料开始,选择Silent Switcher这种自带EMI抑制特性的元器件,就显得十分必要了。

目前,ADI采用Silent Switcher技术的电源管理产品还在不断迭代中,相信未来会有更多器件和模块可以满足大家的应用所需。

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