隨著(zhù)電子元器件向小型化、輕量化、數字化和高密度集成化方向發(fā)展，靈敏度越來(lái)越高，為此國際組織提出了一系列技術(shù)規章，要求電子產(chǎn)品符合嚴格的磁化系數和發(fā)射準則，即具有電磁兼容性EMC。本文以ADI器件為例，介紹如何通過(guò)控制電路熱回路以降低器件EMI并符合EMC標準的電路設計參考思路。

 

“熱回路”中的真真假假

開(kāi)關(guān)穩壓器需要不斷地開(kāi)關(guān)電流，這些電流一般來(lái)說(shuō)會(huì )比較大。每當電流流動(dòng)時(shí)，會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)。如果快速開(kāi)關(guān)大電流，就會(huì )產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。此外，如果開(kāi)關(guān)電流時(shí)，路徑中存在寄生電感，就會(huì )產(chǎn)生電壓失調。電流會(huì )容性耦合到相鄰的電路部件中，并增加電源的噪聲輻射。因此，開(kāi)關(guān)電流是導致產(chǎn)生噪聲的主要原因，下圖顯示了簡(jiǎn)化的降壓轉換器拓撲結構，存在連續電流的線(xiàn)路都用藍色表示，快速開(kāi)關(guān)電流的線(xiàn)路都用紅色表示。紅色回路看起來(lái)像一個(gè)電流回路，因此被稱(chēng)為回路，它涉及到快速開(kāi)關(guān)電流。但事實(shí)上，熱回路并不是一個(gè)獨立的電流回路，而是由兩個(gè)真實(shí)的電流回路組成的虛擬電流回路。紅色回路從來(lái)沒(méi)有真正的電流流過(guò)，因為兩個(gè)開(kāi)關(guān)從來(lái)不會(huì )同時(shí)打開(kāi)。它只是單條線(xiàn)路的組合，在特定時(shí)間會(huì )有電流流過(guò)，在其他時(shí)間則沒(méi)有電流流過(guò)。

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。如下圖所示，在標準降壓轉換器的一個(gè)周期內，當M1關(guān)閉而M2打開(kāi)時(shí)，交流電流沿著(zhù)藍色回路流動(dòng)。在M1打開(kāi)而M2關(guān)閉的關(guān)閉周期中，電流沿著(zhù)綠色回路流動(dòng)。產(chǎn)生最高EMI的回路并非完全直觀(guān)可見(jiàn)，它既不是藍色回路也不是綠色回路，而是傳導全開(kāi)關(guān)交流電流（從零切換到IPEAK，然后再切換回零）的紫色熱回路。

 

 

降壓轉換器的熱回路

 

導致電磁噪聲和開(kāi)關(guān)振鈴的是開(kāi)關(guān)穩壓器熱回路中的高di/dt和寄生電感。要減少EMI并改進(jìn)功能，需要盡量減少紫色回路的輻射效應。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(huà)，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(wèn)題。

 

從1代到2代，Silent Switcher技術(shù)降噪能力再升級

開(kāi)關(guān)穩壓器的熱回路因開(kāi)關(guān)穩壓器的拓撲結構而異，其設計應盡可能窄小緊湊，以減少噪音產(chǎn)生和傳播。ADI公司提供的Silent Switcher技術(shù)通過(guò)將輸入電容集成到IC封裝，盡可能縮小關(guān)鍵熱回路，雖然不可能完全消除熱回路區域，但是可以將熱回路分成極性相反的兩個(gè)回路。通過(guò)產(chǎn)生兩個(gè)極性相反的磁場(chǎng)，從而大幅抵消輻射噪聲。

 

 

Silent Switcher穩壓器中的磁場(chǎng)抵消

 

改善EMI的另一種方法是縮短熱回路中的導線(xiàn)，這可以通過(guò)放棄將芯片連接至封裝引腳的傳統鍵合線(xiàn)方法來(lái)實(shí)現。在封裝中倒裝硅芯片，并添加銅柱。通過(guò)縮短內部FET到封裝引腳和輸入電容的距離，可以進(jìn)一步縮小熱回路的范圍。

 

 

LT8610鍵合線(xiàn)的拆解示意圖

 

遵循這一設計思想，如何確保在設計及整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的正確布局，答案就是Silent Switcher 2穩壓器。Silent Switcher 2穩壓器能夠進(jìn)一步減少EMI，通過(guò)將電容（VIN電容、INTVCC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部，從而將EMI降至最低，并使解決方案的總占板面積更小。

 

LT8609S就是采用Silent Switcher 2技術(shù)的典型開(kāi)關(guān)穩壓器，其獨特的架構運用兩個(gè)內部輸入電容器以及內部BST和INTVCC電容器，以最大限度減小熱環(huán)路面積。由于可提供控制得非常好的開(kāi)關(guān)邊沿，因此LT8609S的設計顯著(zhù)地降低了EMI/EMC輻射，其內部結構具有一個(gè)整體接地平面，并用銅柱代替了接合線(xiàn)。這種改善的EMI /EMC性能對電路板布局不敏感，從而簡(jiǎn)化了設計并降低了風(fēng)險，即使在采用兩層PC板時(shí)也不例外。在整個(gè)負載范圍內開(kāi)關(guān)頻率為 2MHz 的情況下，LT8609S 可輕松通過(guò)汽車(chē) CISPR 25 的 Class 5 峰值 EMI 限制。該器件也提供了擴展頻譜頻率調制功能，以進(jìn)一步降低 EMI / EMC 水平。

 

 

 

LT8609S的同步整流在開(kāi)關(guān)頻率為2MHz時(shí)提供高達93%的效率。其3.0V至42V輸入電壓范圍非常適合汽車(chē)和工業(yè)應用。內部高效率開(kāi)關(guān)可向低至0.774V的電壓提供高達2A連續輸出電流和3A峰值負載。LT8609S突發(fā)模式運行的靜態(tài)電流僅為2.5µA，非常適合諸如汽車(chē)始終保持接通系統等應用，這些系統需要很低的靜態(tài)電流來(lái)延長(cháng)電池運行壽命。LT8609S 的獨特設計在所有條件下保持了僅為400mV (在1.5A)的最小壓差電壓，從而使該器件在汽車(chē)冷車(chē)發(fā)動(dòng)等情況下表現出色。此外，僅為45ns的快速最短接通時(shí)間實(shí)現了從16V輸入到1.5V輸出的2MHz恒定頻率切換，從而優(yōu)化了效率，同時(shí)可避開(kāi)關(guān)鍵噪聲敏感頻段。LT8609S 的16引線(xiàn)、3mm x 3mm LQFN封裝和高開(kāi)關(guān)頻率允許使用小型外部電感器和電容器，因此可構成占板面積緊湊和高熱效率的解決方案。

 

本文小結

熟練的PCB設計者在設計時(shí)應考慮很小的熱回路并使用盡可能靠近主動(dòng)層的屏蔽接地層。然而，在去耦組件中儲存充足能量所需的組件針腳布局、封裝結構、熱設計要求和封裝尺寸決定了熱回路的最小尺寸。以L(fǎng)T8609S為典型的ADI一系列Silent Switcher 2技術(shù)電源器件通過(guò)設計與封裝工藝考量盡可能降低熱回路影響，其功能和優(yōu)勢將使開(kāi)關(guān)模式電源設計更容易滿(mǎn)足CISPR 32和CISPR 25等各種抗噪標準要求。