5A、3.3V和5V電源符合嚴格的EMI輻射標準

簡介

嚴苛的汽車和工業環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。通常會選擇內置MOSFET功率開關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。可在高頻率（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間(T_ON)較低，則無需中間穩壓，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。減少最小導通時間需要快速開關邊沿和最小死區時間控制，以有效減少開關損耗并支持高開關頻率操作。

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

選擇開關模式電源轉換器是由于其效率高，尤其是在高降壓比下，但需要權衡開關操作產生的EMI因素。在降壓轉換器中，開關中的快速電流變化（高di/dt）和熱回路中寄生電感導致的開關振鈴會產生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必須考慮的參數之一。許多關鍵設計約束通常相互沖突，需要在設計限制和上市時間方面做出重大妥協。

圖1.慢開關邊沿意味著除了占空比損耗之外，還存在大量開關損耗。

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，但其中很多也會同時降低穩壓器的性能。

例如，在典型的分立式FET降壓穩壓器中，通過外部柵極電阻、升壓電阻或緩沖器來降低開關邊沿的速度，以減少EMI，這也是符合汽車工業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問題均以損失性能為代價；例如效率降低、組件數目增多，解決方案尺寸加大。開關邊沿速度慢則會增加開關損耗和占空比損失。轉換器必須在較低的頻率下工作（例如，400 kHz）才能獲得令人滿意的效率，并通過強制性電磁輻射EMI測試。圖1顯示了分別具有快開關邊沿和慢開關邊沿的典型開關節點電壓波形。如圖所示，開關邊沿速度明顯變慢，導致開關損耗增加，最小占空比或降壓比顯著增加，更不用說對性能產生的其他負面影響。

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

例如，在400 kHz（而不是2 MHz）開關頻率下，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，才能達到汽車應用中的傳導EMI標準要求。其中一個原因是它們不僅必須衰減400 kHz的開關基頻，還必須衰減高達1.8 MHz的所有諧波。工作頻率為2 MHz的穩壓器就沒有這個問題。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，而應用可能無法提供，并且需要進行額外的機械設計和測試迭代。

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

有些開關穩壓器具有快速干凈的開關邊沿，可減少EMI，如ADI Power by Linear?系列中的Silent Switcher^?器件。我們先來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鐘抖動的技術，由此將EMI能量分布在頻域上。雖然普通開關電源所選的開關頻率通常會在AM頻段之外（530 kHz至1.8 MHz），但在AM頻段內，未經調制的開關諧波仍可能不符合嚴格的汽車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開關頻率下工作。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，同時分離熱回路，幫助消除高頻噪聲。

為改進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調節開關頻率，調節范圍為RT設置的值到比該值約高20%，即LT8636設為2 MHz時，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來，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級CISPR 25 Class 5輻射EMI要求，僅需在輸入側使用簡單的EMI濾波器。

圖4.具有和沒有展頻模式的CISPR 25電磁輻射EMI。