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电子系统中电源中减少EMI的解决方案分析

有限且赓续缩小的电路板空间、首要的设计周期以及严格的电磁滋扰(EMI)规范(例如CISPR 32和CISPR 25)这些限定身分,都导致得到具有高效率和优越热机能电源的难度很大年夜。在全部设计周期中,电源设计平日基础处于设计历程的着末阶段,设计职员必要努力将繁杂的电源挤进更紧凑的空间,这使问题变得加倍繁杂,异常令人沮丧。为了按时完成设计,只能在机能方面做些让步,把问题丢给测试和验证环节去处置惩罚。简单、高机能和办理规划尺寸三个斟酌身分平日互相冲突:只能优先斟酌一两个,而放弃第三个,尤其当设计刻日临近时。就义一些机能变得司空见惯;着实不应该是这样的。

本文首先概述了在繁杂的电子系统中电源带来的严重问题:即EMI,平日简称为噪声。电源会孕育发生EMI,必须加以办理,那么问题的根源是什么?平日有何缓解步伐?本文先容削减EMI的策略,提出了一种办理规划,能够削减EMI、维持效率,并将电源放入有限的办理规划空间中。

▍什么是EMI?

电磁滋扰是会滋扰系统机能的电磁旌旗灯号。这种滋扰经由过程电磁感应、静电耦合或传导来影响电路。它对汽车、医疗以及测试与丈量设备制造商来说,是一项关键设计寻衅。上面提到的许多限定和赓续前进的电源机能要求(功率密度增添、开关频率更高以及电流更大年夜)只会扩大年夜EMI的影响,是以亟需办理规划来削减EMI。许多行业都要求必须满意EMI标准,假如在设计初期不加以斟酌,则会严重影响产品的上市光阴。

▍EMI耦合类型

EMI是电子系统中的滋扰源与接管器(即电子系统中的一些元件)耦应时所孕育发生的问题。EMI按其耦合介质可归类为:传导或辐射。

传导EMI(低频,450 kHz至30 MHz)

传导EMI经由过程寄生阻抗以及电源和接地连接以传导要领耦合到元件。噪声经由过程传导传输到另一个器件或电路。传导EMI可以进一步分为共模噪声和差模噪声。

共模噪声经由过程寄生电容和高dV/dt (C × dV/dt)进行传导。它经由过程寄生电容沿着随意率性旌旗灯号(正或负)到GND的路径传输,如图1所示。

DifferenTIal-mode noise is conducted via parasiTIc inductance (magneTIc coupling) and a high di/dt (L × di/dt)。

差模噪声经由过程寄生电感(磁耦合)和高di/dt (L × di/dt)进行传导。

图1.差模和共模噪声。

辐射EMI(高频,30 MHz 至1 GHz)

辐射EMI是经由过程磁场能量以无线要领传输到待测器件的噪声。在开关电源中,该噪声是高di/dt与寄生电感耦合的结果。辐射噪声会影响左近的器件。

▍EMI节制技巧

办理电源中EMI相关问题的范例措施是什么?首先,确定EMI便是一个问题。这看似很显而易见,然则确定其详细环境可能异常耗时,由于它必要应用EMI测试室(并非随处都有),以便对电源孕育发生的电磁能量进行量化,并确定该电磁能量是否相符系统的EMI标准要求。

假设颠末测试,电源会带来EMI问题,那么设计职员将面临经由过程多种传统的校对策略来削减EMI的历程,此中包括:

在尽可能小的电路板空间中实现高效率。

优越的热机能。

结构优化:精心的电源结构与选择相宜的电源组件同样紧张。成功的结构很大年夜程度上取决于电源设计职员的履历水平。结构优化本色上是个迭代历程,履历富厚的电源设计职员有助于最大年夜限度地削减迭代次数,从而避免延误光阴和孕育发生额外的设计资源。问题是:内部职员每每不具备这些履历。

缓冲器:一些设计职员会提前筹划并为简单的缓冲器电路(从开枢纽关头点到GND的简单RC滤波器)供给占位面积。这样可以抑制开枢纽关头点的振铃征象(一项孕育发生EMI的身分),然则这种技巧会导致损耗增添,从而对效率孕育发生负面影响。

低落边沿速度:削减开枢纽关头点的振铃也可以经由过程低落栅极导通的压摆率来实现。不幸的是,与缓冲器类似,这会对全部系统的效率孕育发生负面影响。

展频(SSFM):许多ADI公司的Power by Linear开关稳压器都供给该特点,它有助于产品设计经由过程严格的EMI测试标准。采纳SSFM技巧,在已知范围内(例如,编程频率fSW高低±10%的变更范围)对驱动开关频率的时钟进行调制。这有助于将峰值噪声能量分配到更宽的频率范围内。

滤波器和樊篱:滤波器和樊篱老是会占用大年夜量的资源和空间。它们也使临盆繁杂化。

以上所有制约步伐都可以削减噪声,然则它们也都存在缺陷。最大年夜限度地削减电源设计中的噪声平日能够彻底办理问题,但却很难实现。ADI公司的Silent Switcher®和Silent Switcher 2稳压器在稳压器端实现了低噪声,从而无需额外的滤波、樊篱或大年夜量结构迭代。因为不必采纳昂贵的反制步伐,加快了产品上市光阴并节省大年夜量的资源。

▍最大年夜限度地减小电流回路

为了削减EMI,必须确定电源电路中的热回路(高di/dt回路)并削减其影响。热回路如图2所示。在标准降压转换器的一个周期内,当M1关闭而M2打开时,交流电流沿着蓝色回路流动。在M1打开而M2关闭的关闭周期中,电流沿着绿色回路流动。孕育发生最高EMI的回路并非完全直不雅可见,它既不是蓝色回路也不是绿色回路,而是传导全开关交流电流(从零切换到IPEAK,然后再切换回零)的紫色回路。该回路称为热回路,由于它的交流和EMI能量最大年夜。

导致电磁噪声和开关振铃的是开关稳压器热回路中的高di/dt和寄生电感。要削减EMI并改进功能,必要只管即便削减紫色回路的辐射效应。热回路的电磁辐射骚扰随其面积的增添而增添,是以,假如可能的话,将热回路的PC面积减小到零,并应用零阻抗抱负电容可以办理该问题。

图2.降压转换器的热回路。

▍应用Silent Switcher稳压器实现低噪声

磁场抵消

虽然弗成能完全打消热回路区域,然则我们可以将热回路分成极性相反的两个回路。这可以有效地形成局部磁场,这些磁场在距IC随意率性位置都可以有效地互相抵消。这便是Silent Switcher稳压器背后的观点。

图3.Silent Switcher稳压器中的磁场抵消。

倒装芯片取代键合线

改良EMI的另一种措施是缩短热回路中的导线。这可以经由过程放弃将芯片连接至封装引脚的传统键合线措施来实现。在封装中倒装硅芯片,并添加铜柱。经由过程缩短内部FET到封装引脚和输入电容的间隔,可以进一步缩小热回路的范围。

图4.LT8610键合线的拆解示意图。

图5.带有铜柱的倒装芯片。

▍Silent Switcher与Silent Switcher 2

图6.范例的Silent Switcher利用道理图及其在PCB上的外不雅。

图6显示了应用Silent Switcher稳压器的一个范例利用,可经由过程两个输入电压引脚上的对称输入电容来识别。结构在该规划中异常紧张,由于Silent Switcher技巧要求尽可能将这些输入电容对称部署,以便发挥场互相抵消的上风。否则,将丢掉Silent Switcher技巧的上风。当然,问题是若何确保在设计及全部临盆历程中的精确结构。谜底便是Silent Switcher 2稳压器。

▍Silent Switcher 2

Silent Switcher 2稳压器能够进一步削减EMI。经由过程将电容(VIN电容、INTVCC和升压电容)集成到LQFN封装中,打消了EMI机能对PCB结构的敏感性,从而可以放置到尽可能接近引脚的位置。所有热回路和接地层都在内部,从而将EMI降至最低,并使办理规划的总占板面积更小。

图7.Silent Switcher利用与Silent Switcher 2利用框图。

图8.去封的LT8640S Silent Switcher 2稳压器。

Silent Switcher 2技巧还可以改良热机能。LQFN倒装芯片封装上的多个大年夜尺寸接地暴露焊盘有助于封装经由过程PCB散热。打消高电阻键合线还可以前进转换效率。在进行EMI机能测试时,LT8640S 能满意CISPR 25 Class 5峰值限定要求,并且具有较大年夜的裕量。

▍µModule Silent Switcher稳压器

借助开拓Silent Switcher产品组合所得到的常识和履历,并共同应用现有的广泛µModule®产品组合,使我们供给的电源产品易于设计,同时满意电源的某些紧张指标要求,包括热机能、靠得住性、精度、效率和优越的EMI机能。

图9所示的LTM8053集成了可实现磁场抵消的两个输入电容以及电源所需的其他一些无源组件。所有这些都经由过程一个 6.25 mm × 9 mm × 3.32 mm BGA封装实现,让客户可以专心完成电路板的其他部分设计。

图9.LTM8053 Silent Switcher暴露芯片及EMI结果。

▍无需LDO稳压器——电源案例钻研

范例的高速ADC必要许多电压轨,此中一些电压轨噪声必须异常低才能实现ADC数据表中的最高机能。为了在高效率、小尺寸板空间和低噪声之间杀青平衡,普遍吸收的办理规划是将开关电源与LDO后置稳压器结合应用,如图10所示。开关稳压器能够以更高效率实现更高的降压比,但噪声相对也较大年夜。低噪声LDO后置稳压器效率相对较低,但它可以抑制开关稳压器孕育发生的大年夜部分传导噪声。尽可能减小LDO后置稳压器的降压比有助于前进效率。这种组合能孕育发生干净的电源,从而使ADC以最高机能运行。但问题在于多个稳压器会使结构更繁杂,并且LDO后置稳压器在较高负载下可能会孕育发生散热问题。

图10.为 AD9625 ADC供电的范例电源设计。

图10所示的设计显然必要进行一些权衡取舍。在这种环境下,低噪声是优先斟酌事变,是以效率和电路板空间必须做些让步。但大概不必如斯。最新一代的Silent Switcher µModule器件将低噪声开关稳压器设计与µModule封装相结合,能够同时实现易设计、高效率、小尺寸和低噪声的目标。这些稳压器不仅尽可能削减了电路板占用空间,而且实现了可扩展性,可应用一个µModule稳压器为多个电压轨供电,进一步节省了空间和光阴。图11显示了应用LTM8065 Silent Switcher µModule稳压器为ADC供电的电源树替代规划。

图11.应用Silent Switcher µModule稳压器为AD9625供电,可节省空间的办理规划。

这些设计都已颠末互相测试对照。ADI公司近来颁发的一篇文章对应用图10和图11所示电源设计的ADC机能进行了测试和对照1。测试包括以下三种设置设置设备摆设摆设:

应用开关稳压器和LDO稳压器为ADC供电的标准设置设置设备摆设摆设。

应用LTM8065直接为ADC供电,不进行进一步的滤波。

应用LTM8065和额外的输出LC滤波器,进一步净化输出。

测得的SFDR和SNRFS结果注解,LTM8065可用于直接为ADC供电,并不会影响ADC的机能。

这个实施规划的核心上风是大年夜大年夜削减了元件数量,从而前进了效率,简化了临盆并削减了电路板占位空间。

▍小结

总之,跟着更多系统级设计必要满意加倍严格的规范,尽可能充分使用模块化电源设计变得至关紧张,尤其在电源设计专业履历有限的环境下。因为许多细分市场要求系统设计必须相符最新的EMI规范要求,是以将Silent Switcher技巧运用于小尺寸设计,同时借助µModule稳压器简单易用的特点,可以大年夜大年夜缩短产品上市光阴,同时还可以节省电路板空间。

Silent Switcher µModule稳压器的上风

节省PCB结构设计时间(无需从新设计电路板即可办理噪声问题)。

无需额外的EMI滤波器(节省元件和电路板空间资源)。

低落了内部电源专家进行电源噪腔调试的需求。

在宽事情频率范围内供给高效率。

为噪声敏感型器件供电时,无需应用LDO后置稳压器。

缩短设计周期。

在尽可能小的电路板空间中实现高效率。

优越的热机能。

参考文献

1 Aldrick Limjoco、Patrick Pasaquian和Jefferson Eco,“Silent Switcher µModule稳压器为GSPS采样ADC供给低噪声供电,并节省一半空间”ADI公司,2018年10月。

作者简介

BhakTI Waghmare现任Power by Linear产品部μModule稳压器的产品营销工程师,事情地点在美国加利福尼亚州圣克拉拉市。她认真μModule稳压器电源产品的市场营销支持。BhakTI于2018年加入ADI公司。她拥有韦恩州立大年夜学(位于美国密歇根州底特律)机器工程学士学位和工业工程硕士学位。

Diarmuid Carey是欧洲中央利用中间的利用工程师,事情地点在爱尔兰利默里克。他自2008年以来不停担负利用工程师,并于2017年加入ADI公司,为欧洲的浩繁市场客户供给Power by Linear产品组合的设计支持。他拥有利默里克大年夜学谋略机工程学士学位。

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