5A、3.3V和5V電源符合嚴(yán)格的EMI輻射標(biāo)準(zhǔn)

簡介

嚴(yán)苛的汽車和工業(yè)環(huán)境中的噪聲敏感型應(yīng)用需要適用于狹小空間的低噪聲、高效率降壓穩(wěn)壓器。通常會選擇內(nèi)置MOSFET功率開關(guān)的單片式降壓穩(wěn)壓器，與傳統(tǒng)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(yuǎn)高于AM頻段的2 MHz范圍內(nèi)）下工作的單片式穩(wěn)壓器也有助于減小外部元件的尺寸。此外，如果穩(wěn)壓器的最小導(dǎo)通時間(T_ON)較低，則無需中間穩(wěn)壓，可直接在較高的電壓軌上工作，從而節(jié)約空間并降低復(fù)雜性。減少最小導(dǎo)通時間需要快速開關(guān)邊沿和最小死區(qū)時間控制，以有效減少開關(guān)損耗并支持高開關(guān)頻率操作。

另一種節(jié)約空間的方式是減少所需的組件數(shù)，以滿足電磁干擾(EMI)標(biāo)準(zhǔn)和散熱要求。遺憾的是，在很多情況下，簡單地縮減轉(zhuǎn)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(jié)約空間，同時可實現(xiàn)低EMI和出色的散熱性能。

選擇開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器是由于其效率高，尤其是在高降壓比下，但需要權(quán)衡開關(guān)操作產(chǎn)生的EMI因素。在降壓轉(zhuǎn)換器中，開關(guān)中的快速電流變化（高di/dt）和熱回路中寄生電感導(dǎo)致的開關(guān)振鈴會產(chǎn)生EMI。

EMI只是系統(tǒng)設(shè)計工程師在嘗試設(shè)計緊湊型高性能電源時必須考慮的參數(shù)之一。許多關(guān)鍵設(shè)計約束通常相互沖突，需要在設(shè)計限制和上市時間方面做出重大妥協(xié)。

圖1.慢開關(guān)邊沿意味著除了占空比損耗之外，還存在大量開關(guān)損耗。

提高EMI性能

要減少降壓轉(zhuǎn)換器中的EMI，必須盡量減少熱回路的輻射效應(yīng)，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(wěn)壓器的性能。

例如，在典型的分立式FET降壓穩(wěn)壓器中，通過外部柵極電阻、升壓電阻或緩沖器來降低開關(guān)邊沿的速度，以減少EMI，這也是符合汽車工業(yè)嚴(yán)格的輻射排放標(biāo)準(zhǔn)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(shù)目增多，解決方案尺寸加大。開關(guān)邊沿速度慢則會增加開關(guān)損耗和占空比損失。轉(zhuǎn)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(guān)邊沿和慢開關(guān)邊沿的典型開關(guān)節(jié)點電壓波形。如圖所示，開關(guān)邊沿速度明顯變慢，導(dǎo)致開關(guān)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(chǎn)生的其他負(fù)面影響。

降低開關(guān)頻率也會增加轉(zhuǎn)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(dǎo)輻射測試。隨著開關(guān)頻率降低，濾波器中的電感L和電容C需相應(yīng)增大。在低壓線路滿載條件下，電感電流額定值應(yīng)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(yán)格的EMI標(biāo)準(zhǔn)。

例如，在400 kHz（而不是2 MHz）開關(guān)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(yīng)用中的傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)要求。其中一個原因是它們不僅必須衰減400 kHz的開關(guān)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(wěn)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(yīng)用可能無法提供，并且需要進行額外的機械設(shè)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(yīng)用首選2 MHz或更高的開關(guān)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(guān)振鈴降至最低的問題。遺憾的是，高頻開關(guān)通常會導(dǎo)致電磁輻射從30 MHz增加到1 GHz。

有些開關(guān)穩(wěn)壓器具有快速干凈的開關(guān)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(nèi)使系統(tǒng)時鐘抖動的技術(shù)，由此將EMI能量分布在頻域上。雖然普通開關(guān)電源所選的開關(guān)頻率通常會在AM頻段之外（530 kHz至1.8 MHz），但在AM頻段內(nèi)，未經(jīng)調(diào)制的開關(guān)諧波仍可能不符合嚴(yán)格的汽車EMI要求。添加SSFM功能可明顯減少AM頻段內(nèi)及其他區(qū)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(zhuǎn)換器，其使用LT8636 Silent Switcher單片式降壓穩(wěn)壓器在2 MHz開關(guān)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(dǎo)和輻射EMI性能。在前端，小電感和陶瓷電容有助于濾除傳導(dǎo)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(shè)置為在展頻模式下工作：SYNC/MODE = INTV_CC。使用三角頻率調(diào)制來調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，調(diào)節(jié)范圍為RT設(shè)置的值到比該值約高20%，即LT8636設(shè)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(zhuǎn)換器，峰值電流為7 A，工作電壓5.7 V至42 V。

從傳導(dǎo)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(yán)苛的汽車級CISPR 25 Class 5輻射EMI要求，僅需在輸入側(cè)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。