大家都知道，印刷電路板布局決定著(zhù)所有電源的成敗，決定著(zhù)功能、電磁干擾 (EMI) 和受熱時(shí)的表現。開(kāi)關(guān)電源布局不是魔術(shù)，并不難，只不過(guò)在最初設計階段，可能常常被忽視。然而，因為功能和 EMI 要求都要必須滿(mǎn)足，所以對電源功能穩定性有益的安排也常常有利于降低 EMI 輻射，那么晚做不如早做。還應該提到的是，從一開(kāi)始就設計一個(gè)良好的布局不會(huì )增加任何費用，實(shí)際上還可以節省費用，因為無(wú)需 EMI 濾波器、機械屏蔽、花時(shí)間進(jìn)行 EMI 測試和修改 PC 板。
此外，當為了實(shí)現均流和更大的輸出功率而并聯(lián)多個(gè) DC/DC 開(kāi)關(guān)模式穩壓器時(shí)，潛在的干擾和噪聲問(wèn)題可能惡化。如果所有穩壓器都以相似的頻率工作 (開(kāi)關(guān))，那么電路中多個(gè)穩壓器產(chǎn)生的總能量就會(huì )集中在一個(gè)頻率上。這種能量的存在可能成為一個(gè)令人擔憂(yōu)的問(wèn)題，尤其是如果該 PC 板以及其他系統板上其余的 IC 相互靠得很近，易于受到這種輻射能量影響時(shí)。在汽車(chē)系統中，這一問(wèn)題可能尤其麻煩，因為汽車(chē)系統是密集排列的，而且常?？拷纛l、RF、CAN 總線(xiàn)和各種雷達系統。
應對開(kāi)關(guān)穩壓器噪聲輻射問(wèn)題
在汽車(chē)環(huán)境中，常常在重視散熱和效率的區域采用開(kāi)關(guān)穩壓器來(lái)取代線(xiàn)性穩壓器。此外，開(kāi)關(guān)穩壓器一般是輸入電源總線(xiàn)上的第一個(gè)有源組件，因此對整個(gè)轉換器電路的 EMI 性能有顯著(zhù)影響。
EMI 輻射有兩種類(lèi)型：傳導型和輻射型。傳導型 EMI 取決于連接到一個(gè)產(chǎn)品的導線(xiàn)和電路走線(xiàn)。既然噪聲局限于方案設計中特定的終端或連接器，那么通過(guò)前述的良好布局或濾波器設計，常常在開(kāi)發(fā)過(guò)程的早期，就可以保證符合傳導型 EMI 要求。
然而，輻射型 EMI 卻另當別論了。電路板上攜帶電流的所有組成部分都輻射一個(gè)電磁場(chǎng)。電路板上的每一條走線(xiàn)都是一個(gè)天線(xiàn)，每一個(gè)銅平面都是一個(gè)諧振器。除了純正弦波或 DC 電壓，任何信號都產(chǎn)生覆蓋整個(gè)信號頻譜的噪聲。即使經(jīng)過(guò)仔細設計，在系統接受測試之前，設計師也永遠不會(huì )真正知道輻射型 EMI 將有多么嚴重。而且在設計基本完成以前，不可能正式進(jìn)行輻射 EMI 測試。
濾波器可以在某個(gè)頻率上或整個(gè)頻率范圍內衰減強度以降低 EMI。部分能量通過(guò)空間 (輻射) 傳播，因此可增設金屬屏蔽和磁屏蔽來(lái)衰減。而在 PCB 走線(xiàn)上 (傳導) 的那部分則可通過(guò)增設鐵氧體磁珠和其他濾波器來(lái)加以控制。EMI 不可能徹底消除，但是可以衰減到其他通信及數字組件可接受的水平。此外，幾家監管機構強制執行一些標準以確保符合 EMI 要求。
采用表面貼裝技術(shù)的新式輸入濾波器組件的性能好于通孔組件。不過(guò)，這種改進(jìn)被開(kāi)關(guān)穩壓器開(kāi)關(guān)工作頻率的提高抵消了。更快速的開(kāi)關(guān)轉換產(chǎn)生了更高的效率、很短的最短接通和斷開(kāi)時(shí)間，因此產(chǎn)生了更高的諧波分量。在開(kāi)關(guān)容量和轉換時(shí)間等所有其他參數保持不變的情況下，開(kāi)關(guān)頻率每增大一倍，EMI 就惡化 6dB。寬帶 EMI 的表現就像一個(gè)一階高通濾波器一樣，如果開(kāi)關(guān)頻率提高 10 倍，就會(huì )增加 20dB 輻射。
有經(jīng)驗的 PCB 設計師會(huì )將熱點(diǎn)環(huán)路設計得很小，并讓屏蔽地層盡可能靠近有源層。然而，器件引出腳配置、封裝構造、熱設計要求以及在去耦組件中存儲充足的能量所需的封裝尺寸決定了熱點(diǎn)環(huán)路的最小尺寸。使問(wèn)題更加復雜的是，在典型的平面印刷電路板中，走線(xiàn)之間高于 30MHz 的磁或變壓器型耦合將抵消所有濾波器的努力，因為諧波頻率越高，不想要的磁耦合就變得越加有效。
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應對這些 EMI 問(wèn)題的全新解決方案
可靠和真正應對 EMI問(wèn)題的解決方案是，將整個(gè)電路放在屏蔽盒中。當然，這么做增加了成本、增大了所需電路板空間、使熱量管理和測試更加困難并導致額外的組裝費用。另一種經(jīng)常采用的方法是減緩開(kāi)關(guān)邊沿。這么做會(huì )產(chǎn)生一種不想要的結果，這就是降低效率、增大最短接通和斷開(kāi)時(shí)間、產(chǎn)生有關(guān)的死區時(shí)間，有損于電流控制環(huán)路可能達到的速度。
凌力爾特不久前推出了 LT8614 Silent Switcher 穩壓器，該器件無(wú)需使用屏蔽盒，卻能提供想要的屏蔽盒效果，因此消除了上述缺點(diǎn)。參見(jiàn)圖 1。LT8614 還具有世界級的低 IQ，工作電流僅為 2.5?A。這是該器件在無(wú)負載穩壓狀態(tài)時(shí)消耗的總電源電流。
該器件的超低壓差電壓僅受到內部頂端開(kāi)關(guān)的限制。與其他解決方案不同，LT8614 的 RDSON 不受最大占空比和最短斷開(kāi)時(shí)間限制。該器件在出現壓差時(shí)跳過(guò)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)周期，僅執行所需的最短斷開(kāi)周期，以保持內部頂端開(kāi)關(guān)升壓級電壓持續提供，如圖 6 所示。
同時(shí)，LT8614 的最低輸入工作電壓典型值僅為 2.9V (最高 3.4V)，從而使該器件能在有壓差時(shí)提供 3.3V 軌。在大電流時(shí) LT8614比 LT8610/11 的效率更高，因為其總的開(kāi)關(guān)電阻較小。該器件還可以同步至 200kHz 至 3MHz 的外部頻率。
該器件的 AC 開(kāi)關(guān)損耗很低，因此它能夠以高開(kāi)關(guān)頻率工作而效率損失最小。在對 EMI 敏感的應用中 (諸如在許多汽車(chē)環(huán)境中常見(jiàn)的那些應用) 可以實(shí)現良好的平衡，而且 LT8614 能夠在低于 AM 頻帶 (以實(shí)現甚至更低的 EMI) 或高于 AM 頻帶的頻率上工作。在工作開(kāi)關(guān)頻率為 700kHz 的設置中，標準 LT8614 演示電路板不超過(guò) CISPR25 - Calls 5測量結果的噪聲層。
圖 2 所示測量結果是在電波暗室和以下條件下取得的：12Vin、3.3Vout/2A，固定開(kāi)關(guān)頻率為 700kHz。
為了比較采用 Silent Switcher 技術(shù)的 LT8614 和另一種目前最新的開(kāi)關(guān)穩壓器 LT8610，對 LT8614 和 LT8610 進(jìn)行了測試。該測試是在 GTEM 單元中進(jìn)行的，對兩款器件的測量采用了標準演示電路板以及相同的負載、輸入電壓和相同的電感器。
可以看到，與 LT8610 已經(jīng)非常好的 EMI 性能相比，采用 LT8614 Silent Switcher 技術(shù)的 LT8614 實(shí)現了多達 20dB 的改進(jìn)，尤其是在更難以管理的高頻區。這使得可以實(shí)現更簡(jiǎn)單、更緊湊的設計，與其他敏感系統相比，在總體設計上，LT8614 開(kāi)關(guān)電源對濾波的要求更低。
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在時(shí)間域，LT8614 在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)邊沿上表現得非常好，如圖 4 所示。即使在每格4ns的情況下，LT8614 Silent Switcher 穩壓器顯示出非常小的振鈴 (參見(jiàn)圖 3 中的通道 2)。LT8610 的振鈴也很好地衰減了 (圖 3 通道 1)，但是可以看到這與 LT8614 (通道 2) 相比，LT8610 熱點(diǎn)環(huán)路存儲了較高能量。
圖 5 顯示了 13.2V 輸入的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)?？梢钥吹?，LT8614 與理想方波的偏離極小，如通道 2 所示。圖 3、4 和 5 中的所有時(shí)間域測量結果都是用 500MHz Tektronix P6139A 探頭測得的，封閉的探頭尖端屏蔽罩連接至 PCB GND 平面，測試均在標準演示電路板上進(jìn)行。
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除了面向汽車(chē)環(huán)境的 42V 絕對最大輸入電壓額定值，器件的壓差表現也非常重要。常常需要支持至關(guān)重要的 3.3V 邏輯電源以應對冷車(chē)發(fā)動(dòng)情況。在這種情況下，LT8614 Silent Switcher 穩壓器保持接近 LT861x 系列的理想表現。LT8610/11/14 器件不是像其他器件那樣提供更高的欠壓閉鎖電壓和最大占空比箝位，而是以低至 3.4V 的電壓工作，而且只要有必要，就跳過(guò)若干周期，如圖 6 所示。這樣就產(chǎn)生了理想的壓差表現，如圖 7 所示。
LT8614 的最短接通時(shí)間為非常短的 30ns，即使在高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，這也允許大的降壓比。因此，該器件可以從高達 42V 的輸入，經(jīng)過(guò)單次降壓提供邏輯內核電壓。
結論
眾所周知，汽車(chē)環(huán)境的 EMI 問(wèn)題在最初設計階段需要仔細注意，以確保一旦系統開(kāi)發(fā)完成能通過(guò) EMI 測試。直到不久前，尚沒(méi)有一種確定的方法保證，通過(guò)恰當地選擇電源 IC，就能夠輕松解決 EMI 問(wèn)題?，F在，由于 LT8614 的推出，情況發(fā)生了變化。與目前最新的開(kāi)關(guān)穩壓器相比，LT8614 Silent Switcher 穩壓器的 EMI 低 20dB 以上，同時(shí) LT8614 還完美地提高了轉換效率。也就是說(shuō)，在不犧牲同一電路板區域的最短接通和斷開(kāi)時(shí)間或效率的前提下，在高于 30MHz 的頻率范圍內，EMI 改善了 10 倍。無(wú)需特殊組件或屏蔽就可以實(shí)現這么大的改進(jìn)，這意味著(zhù)在開(kāi)關(guān)穩壓器設計領(lǐng)域實(shí)現了重大突破。這是一款突破性器件，使汽車(chē)系統設計師能夠將其產(chǎn)品的噪聲性能推進(jìn)到一個(gè)全新水平。
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