作者
Alvin Yu
文章来源
Cytech Engineer

如何从设计之初就降低电源的EMI?

如果您是一名硬件设计人员,您是否曾经为这样的事情所苦恼?耗费了很多的时间和精力终于把期待已久的样机做出来,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,天天泡在EMC实验室,搞得焦头烂额,却依然找不出整改方案。

EMC分析需要丰富的理论知识和实践经验,整改耗时耗力,以至于形成一个专门的领域。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?相信很多人都考虑过这个问题,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。此篇文章就降压稳压器为例,从EMI的成因出发,介绍一下这种可以从源头上降低电源EMI的技术。

EMI的成因

图1是一个降压稳压器的简化拓扑,在M1闭合而M2断开时,交流电流在蓝色实线所示回路中流动;当M1断开而M2闭合时,交流电流在绿色虚线所示回路中流动。产生最高EMI的是红色虚线所示回路,此回路流过的是全开关交流电流,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。

图1. 同步降压稳压器拓扑

红色虚线回路通常称为热回路,导致电磁噪声和开关振铃的是热回路中的高di/dt和寄生电感,这是因为,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,如图2。

图2. 开关切换时的高频谐波

 EMI的预防

通过以上分析,我们了解了EMI产生的原因,那怎么才能降低或预防EMI呢?

从EMI的成因着手,我们可以通过以下方式来降低EMI:

  1. 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Layout和器件参数有要求,而且改善EMI的效果比较有限。
  2. 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。
  3. 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。

另外,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。

Silent Switcher-完美解决EMI问题

有没有一种办法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呢?当然有,这就是ADI的专利技术 -- Silent Switcher。

Silent Switcher技术介绍

如图3和图4所示,ADI的Silent Switcher技术采用两个对称分布的输入热回路。根据右手定则,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。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。

图3. Silent Switcher拓扑(右图)

 

图4. 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(如图5)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。

图5. 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(如图6),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Layout和电容的一致性有一定要求。

图6. Silent Switcher 1的Layout很关键

Silent Switcher 2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(如图7),降低了Silent Switcher对Layout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。

图7. Silent Switcher 2内部集成了热回路电容

 另外,ADI也推出了采用Silent Switcher技术的μModule稳压器系列,内部集成MOS和功率电感,如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。

Silent Switcher技术的EMC表现

  1. 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. 下图8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,如图9。

2. 图10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。

图10. 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. 如图11。

图11. 采用Silent Switch 2的LT8609S的EMC测试结果

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。

 

参考文献:

安静且简单的Silent Switcher器件

Reduce EMI and Improve Efficiency with Silent Switcher Designs

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