如何在擁擠的電路板上實現(xiàn)低 EMI 的高效電源設(shè)計？

有限且不斷縮小的電路板空間、緊張的設(shè)計周期以及嚴格的電磁干擾(EMI)規(guī)范（例如CISPR 32和CISPR 25）這些限制因素，都導(dǎo)致獲得具有高效率和良好熱性能電源的難度很大。在整個設(shè)計周期中，電源設(shè)計通?；咎幱谠O(shè)計過程的最后階段，設(shè)計人員需要努力將復(fù)雜的電源擠進更緊湊的空間，這使問題變得更加復(fù)雜，非常令人沮喪。為了按時完成設(shè)計，只能在性能方面做些讓步，把問題丟給測試和驗證環(huán)節(jié)去處理。簡單、高性能和解決方案尺寸三個考慮因素通常相互沖突：只能優(yōu)先考慮一兩個，而放棄第三個，尤其當(dāng)設(shè)計期限臨近時。犧牲一些性能變得司空見慣；其實不應(yīng)該是這樣的。

本文首先概述了在復(fù)雜的電子系統(tǒng)中電源帶來的嚴重問題：即 EMI，通常簡稱為噪聲。電源會產(chǎn)生EMI，必須加以解決，那么問題的根源是什么？通常有何緩解措施？本文介紹減少 EMI 的策略，提出了一種解決方案，能夠減少EMI、保持效率，并將電源放入有限的解決方案空間中。

什么是EMI？

電磁干擾是會干擾系統(tǒng)性能的電磁信號。這種干擾通過電磁感應(yīng)、靜電耦合或傳導(dǎo)來影響電路。它對汽車、醫(yī)療以及測試與測量設(shè)備制造商來說，是一項關(guān)鍵設(shè)計挑戰(zhàn)。上面提到的許多限制和不斷提高的電源性能要求（功率密度增加、開關(guān)頻率更高以及電流更大）只會擴大EMI的影響，因此亟需解決方案來減少 EMI。許多行業(yè)都要求必須滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)，如果在設(shè)計初期不加以考慮，則會嚴重影響產(chǎn)品的上市時間。

EMI耦合類型

EMI是電子系統(tǒng)中的干擾源與接收器（即電子系統(tǒng)中的一些元件）耦合時所產(chǎn)生的問題。 EMI 按其耦合介質(zhì)可歸類為：傳導(dǎo)或輻射。

傳導(dǎo) EMI（低頻，450 kHz至30 MHz） 
傳導(dǎo)EMI通過寄生阻抗以及電源和接地連接以傳導(dǎo)方式耦合到元件。噪聲通過傳導(dǎo)傳輸?shù)搅硪粋€器件或電路。傳導(dǎo)EMI可以進一步分為共模噪聲和差模噪聲。

共模噪聲通過寄生電容和高dV/dt (C × dV/dt)進行傳導(dǎo)。它通過寄生電容沿著任意信號（正或負）到GND的路徑傳輸，如圖1所示。

Differential-mode noise is conducted via parasitic inductance (magnetic coupling) and a high di/dt (L × di/dt).

差模噪聲通過寄生電感（磁耦合）和高di/dt (L × di/dt)進行傳導(dǎo)。

圖1.差模和共模噪聲。

輻射 EMI（高頻，30 MHz 至1 GHz）

輻射EMI是通過磁場能量以無線方式傳輸?shù)酱郎y器件的噪聲。在開關(guān)電源中，該噪聲是高di/dt與寄生電感耦合的結(jié)果。輻射噪聲會影響鄰近的器件。

EMI 控制技術(shù)

解決電源中EMI相關(guān)問題的典型方法是什么？首先，確定 EMI 就是一個問題。這看似很顯而易見，但是確定其具體情況可能非常耗時，因為它需要使用EMI測試室（并非隨處都有），以便對電源產(chǎn)生的電磁能量進行量化，并確定該電磁能量是否符合系統(tǒng)的EMI標(biāo)準(zhǔn)要求。

假設(shè)經(jīng)過測試，電源會帶來EMI問題，那么設(shè)計人員將面臨通過多種傳統(tǒng)的校正策略來減少 EMI 的過程，其中包括：

●   在盡可能小的電路板空間中實現(xiàn)高效率。

●   良好的熱性能。

●   布局優(yōu)化：精心的電源布局與選擇合適的電源組件同樣重要。成功的布局很大程度上取決于電源設(shè)計人員的經(jīng)驗水平。布局優(yōu)化本質(zhì)上是個迭代過程，經(jīng)驗豐富的電源設(shè)計人員有助于最大限度地減少迭代次數(shù)，從而避免耽誤時間和產(chǎn)生額外的設(shè)計成本。問題是：內(nèi)部人員往往不具備這些經(jīng)驗。

●   緩沖器：一些設(shè)計人員會提前規(guī)劃并為簡單的緩沖器電路（從開關(guān)節(jié)點到GND的簡單RC濾波器）提供占位面積。這樣可以抑制開關(guān)節(jié)點的振鈴現(xiàn)象（一項產(chǎn)生EMI的因素），但是這種技術(shù)會導(dǎo)致?lián)p耗增加，從而對效率產(chǎn)生負面影響。

●   降低邊沿速率：減少開關(guān)節(jié)點的振鈴也可以通過降低柵極導(dǎo)通的壓擺率來實現(xiàn)。不幸的是，與緩沖器類似，這會對整個系統(tǒng)的效率產(chǎn)生負面影響。

●   展頻(SSFM)：許多ADI公司的Power by Linear?開關(guān)穩(wěn)壓器都提供該特性，它有助于產(chǎn)品設(shè)計通過嚴格的EMI測試標(biāo)準(zhǔn)。采用SSFM技術(shù)，在已知范圍內(nèi)（例如，編程頻率f_SW±10%的變化范圍）對驅(qū)動開關(guān)頻率的時鐘進行調(diào)制。這有助于將峰值噪聲能量分配到更寬的頻率范圍內(nèi)。

●   濾波器和屏蔽：濾波器和屏蔽總是會占用大量的成本和空間。它們也使生產(chǎn)復(fù)雜化。

●   以上所有制約措施都可以減少噪聲，但是它們也都存在缺陷。最大限度地減少電源設(shè)計中的噪聲通常能夠徹底解決問題，但卻很難實現(xiàn)。ADI 公司的 Silent Switcher^? 和 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器在穩(wěn)壓器端實現(xiàn)了低噪聲，從而無需額外的濾波、屏蔽或大量布局迭代。由于不必采用昂貴的反制措施，加快了產(chǎn)品上市時間并節(jié)省大量的成本。

最大限度地減小電流回路

為了減少 EMI，必須確定電源電路中的熱回路（高di/dt回路）并減少其影響。熱回路如圖2所示。在標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器的一個周期內(nèi)，當(dāng) M1 關(guān)閉而 M2 打開時，交流電流沿著藍色回路流動。在M1打開而M2關(guān)閉的關(guān)閉周期中，電流沿著綠色回路流動。產(chǎn)生最高EMI的回路并非完全直觀可見，它既不是藍色回路也不是綠色回路，而是傳導(dǎo)全開關(guān)交流電流（從零切換到I_PEAK，然后再切換回零）的紫色回路。該回路稱為熱回路，因為它的交流和EMI能量最大。

導(dǎo)致電磁噪聲和開關(guān)振鈴的是開關(guān)穩(wěn)壓器熱回路中的高di/dt和寄生電感。要減少EMI并改進功能，需要盡量減少紫色回路的輻射效應(yīng)。熱回路的電磁輻射騷擾隨其面積的增加而增加，因此，如果可能的話，將熱回路的PC面積減小到零，并使用零阻抗理想電容可以解決該問題。

圖2.降壓轉(zhuǎn)換器的熱回路。

使用Silent Switcher穩(wěn)壓器實現(xiàn)低噪聲

磁場抵消

雖然不可能完全消除熱回路區(qū)域，但是我們可以將熱回路分成極性相反的兩個回路。這可以有效地形成局部磁場，這些磁場在距IC任意位置都可以有效地相互抵消。這就是 Silent Switcher 穩(wěn)壓器背后的概念。

圖3. Silent Switcher 穩(wěn)壓器中的磁場抵消。

倒裝芯片取代鍵合線

改善EMI的另一種方法是縮短熱回路中的導(dǎo)線。這可以通過放棄將芯片連接至封裝引腳的傳統(tǒng)鍵合線方法來實現(xiàn)。在封裝中倒裝硅芯片，并添加銅柱。通過縮短內(nèi)部FET到封裝引腳和輸入電容的距離，可以進一步縮小熱回路的范圍。

圖4.LT8610鍵合線的拆解示意圖。

圖5.帶有銅柱的倒裝芯片。

Silent Switcher與Silent Switcher 2

圖6.典型的Silent Switcher應(yīng)用原理圖及其在PCB上的外觀。

圖6顯示了使用Silent Switcher穩(wěn)壓器的一個典型應(yīng)用，可通過兩個輸入電壓引腳上的對稱輸入電容來識別。布局在該方案中非常重要，因為Silent Switcher技術(shù)要求盡可能將這些輸入電容對稱布置，以便發(fā)揮場相互抵消的優(yōu)勢。否則，將喪失Silent Switcher技術(shù)的優(yōu)勢。當(dāng)然，問題是如何確保在設(shè)計及整個生產(chǎn)過程中的正確布局。答案就是Silent Switcher 2穩(wěn)壓器。

Silent Switcher 2

Silent Switcher 2穩(wěn)壓器能夠進一步減少EMI。通過將電容（V_IN電容、INTV_CC和升壓電容）集成到LQFN封裝中，消除了EMI性能對PCB布局的敏感性，從而可以放置到盡可能靠近引腳的位置。所有熱回路和接地層都在內(nèi)部，從而將EMI降至最低，并使解決方案的總占板面積更小。

圖7.Silent Switcher應(yīng)用與Silent Switcher 2應(yīng)用框圖。

圖8.去封的LT8640S Silent Switcher 2穩(wěn)壓器。

Silent Switcher 2技術(shù)還可以改善熱性能。LQFN倒裝芯片封裝上的多個大尺寸接地裸露焊盤有助于封裝通過PCB散熱。消除高電阻鍵合線還可以提高轉(zhuǎn)換效率。在進行EMI性能測試時， LT8640S  能滿足CISPR 25 Class 5峰值限制要求，并且具有較大的裕量。

μModule Silent Switcher 穩(wěn)壓器

借助開發(fā)Silent Switcher產(chǎn)品組合所獲得的知識和經(jīng)驗，并配合使用現(xiàn)有的廣泛μModule^?產(chǎn)品組合，使我們提供的電源產(chǎn)品易于設(shè)計，同時滿足電源的某些重要指標(biāo)要求，包括熱性能、可靠性、精度、效率和良好的EMI性能。

圖9所示的 LTM8053 集成了可實現(xiàn)磁場抵消的兩個輸入電容以及電源所需的其他一些無源組件。所有這些都通過一個 6.25 mm × 9 mm × 3.32 mm BGA封裝實現(xiàn)，讓客戶可以專心完成電路板的其他部分設(shè)計。

圖9.LTM8053 Silent Switcher裸露芯片及EMI結(jié)果。

無需LDO穩(wěn)壓器——電源案例研究

典型的高速ADC需要許多電壓軌，其中一些電壓軌噪聲必須非常低才能實現(xiàn)ADC數(shù)據(jù)表中的最高性能。為了在高效率、小尺寸板空間和低噪聲之間達成平衡，普遍接受的解決方案是將開關(guān)電源與LDO后置穩(wěn)壓器結(jié)合使用，如圖10所示。開關(guān)穩(wěn)壓器能夠以更高效率實現(xiàn)更高的降壓比，但噪聲相對也較大。低噪聲LDO后置穩(wěn)壓器效率相對較低，但它可以抑制開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的大部分傳導(dǎo)噪聲。盡可能減小LDO后置穩(wěn)壓器的降壓比有助于提高效率。這種組合能產(chǎn)生干凈的電源，從而使ADC以最高性能運行。但問題在于多個穩(wěn)壓器會使布局更復(fù)雜，并且LDO后置穩(wěn)壓器在較高負載下可能會產(chǎn)生散熱問題。

圖10.為 AD9625 ADC供電的典型電源設(shè)計。

圖10所示的設(shè)計顯然需要進行一些權(quán)衡取舍。在這種情況下，低噪聲是優(yōu)先考慮事項，因此效率和電路板空間必須做些讓步。但也許不必如此。最新一代的Silent Switcher μModule器件將低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計與μModule封裝相結(jié)合，能夠同時實現(xiàn)易設(shè)計、高效率、小尺寸和低噪聲的目標(biāo)。這些穩(wěn)壓器不僅盡可能減少了電路板占用空間，而且實現(xiàn)了可擴展性，可使用一個μModule穩(wěn)壓器為多個電壓軌供電，進一步節(jié)省了空間和時間。圖11顯示了使用 LTM8065 Silent Switcher μModule穩(wěn)壓器為ADC供電的電源樹替代方案。

圖11.使用Silent Switcher μModule穩(wěn)壓器為AD9625供電，可節(jié)省空間的解決方案。

這些設(shè)計都已經(jīng)過相互測試比較。ADI公司最近發(fā)表的一篇文章對使用圖10和圖11所示電源設(shè)計的ADC性能進行了測試和比較¹。測試包括以下三種配置：

●   使用開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO穩(wěn)壓器為ADC供電的標(biāo)準(zhǔn)配置。

●   使用LTM8065直接為ADC供電，不進行進一步的濾波。

●   使用LTM8065和額外的輸出LC濾波器，進一步凈化輸出。

測得的 SFDR 和 SNRFS 結(jié)果表明，LTM8065 可用于直接為 ADC 供電，并不會影響 ADC 的性能。

這個實施方案的核心優(yōu)勢是大大減少了元件數(shù)量，從而提高了效率，簡化了生產(chǎn)并減少了電路板占位空間。

小結(jié)

總之，隨著更多系統(tǒng)級設(shè)計需要滿足更加嚴格的規(guī)范，盡可能充分利用模塊化電源設(shè)計變得至關(guān)重要，尤其在電源設(shè)計專業(yè)經(jīng)驗有限的情況下。由于許多細分市場要求系統(tǒng)設(shè)計必須符合最新的EMI規(guī)范要求，因此將Silent Switcher技術(shù)運用于小尺寸設(shè)計，同時借助μModule穩(wěn)壓器簡單易用的特性，可以大大縮短產(chǎn)品上市時間，同時還可以節(jié)省電路板空間。

Silent Switcher μModule穩(wěn)壓器的優(yōu)勢

●   節(jié)省PCB布局設(shè)計時間（無需重新設(shè)計電路板即可解決噪聲問題）。

●   無需額外的EMI濾波器（節(jié)省元件和電路板空間成本）。

●   降低了內(nèi)部電源專家進行電源噪聲調(diào)試的需求。

●   在寬工作頻率范圍內(nèi)提供高效率。

●   為噪聲敏感型器件供電時，無需使用LDO后置穩(wěn)壓器。

●   縮短設(shè)計周期。

●   在盡可能小的電路板空間中實現(xiàn)高效率。

●   良好的熱性能。

參考文獻

¹ Aldrick Limjoco、Patrick Pasaquian和Jefferson Eco，“Silent Switcher μModule穩(wěn)壓器為GSPS采樣ADC提供低噪聲供電，并節(jié)省一半空間”ADI公司，2018年10月。

作者簡介

Bhakti Waghmare現(xiàn)任Power by Linear產(chǎn)品部μModule穩(wěn)壓器的產(chǎn)品營銷工程師，工作地點在美國加利福尼亞州圣克拉拉市。她負責(zé)μModule穩(wěn)壓器電源產(chǎn)品的市場營銷支持。Bhakti于2018年加入ADI公司。她擁有韋恩州立大學(xué)（位于美國密歇根州底特律）機械工程學(xué)士學(xué)位和工業(yè)工程碩士學(xué)位。

Diarmuid Carey是歐洲中央應(yīng)用中心的應(yīng)用工程師，工作地點在愛爾蘭利默里克。他自2008年以來一直擔(dān)任應(yīng)用工程師，并于2017年加入ADI公司，為歐洲的眾多市場客戶提供Power by Linear產(chǎn)品組合的設(shè)計支持。他擁有利默里克大學(xué)計算機工程學(xué)士學(xué)位。