隨著電子元器件向小型化、輕量化、數(shù)字化和高密度集成化方向發(fā)展，靈敏度越來越高，為此國際組織提出了一系列技術(shù)規(guī)章，要求電子產(chǎn)品符合嚴(yán)格的磁化系數(shù)和發(fā)射準(zhǔn)則，即具有電磁兼容性EMC。本文以ADI器件為例，介紹如何通過控制電路熱回路以降低器件EMI并符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的電路設(shè)計(jì)參考思路。

 

“熱回路”中的真真假假

開關(guān)穩(wěn)壓器需要不斷地開關(guān)電流，這些電流一般來說會(huì)比較大。每當(dāng)電流流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場。如果快速開關(guān)大電流，就會(huì)產(chǎn)生交變磁場。此外，如果開關(guān)電流時(shí)，路徑中存在寄生電感，就會(huì)產(chǎn)生電壓失調(diào)。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，開關(guān)電流是導(dǎo)致產(chǎn)生噪聲的主要原因，下圖顯示了簡化的降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，存在連續(xù)電流的線路都用藍(lán)色表示，快速開關(guān)電流的線路都用紅色表示。紅色回路看起來像一個(gè)電流回路，因此被稱為回路，它涉及到快速開關(guān)電流。但事實(shí)上，熱回路并不是一個(gè)獨(dú)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。紅色回路從來沒有真正的電流流過，因?yàn)閮蓚€(gè)開關(guān)從來不會(huì)同時(shí)打開。它只是單條線路的組合，在特定時(shí)間會(huì)有電流流過，在其他時(shí)間則沒有電流流過。

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(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)M1關(guān)閉而M2打開時(shí)，交流電流沿著藍(lán)色回路流動(dòng)。在M1打開而M2關(guān)閉的關(guān)閉周期中，電流沿著綠色回路流動(dòng)。產(chǎn)生最高EMI的回路并非完全直觀可見，它既不是藍(lán)色回路也不是綠色回路，而是傳導(dǎo)全開關(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(zhuǎn)換器的熱回路

 

導(dǎo)致電磁噪聲和開關(guān)振鈴的是開關(guān)穩(wěn)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(yīng)。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，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題。

 

從1代到2代，Silent Switcher技術(shù)降噪能力再升級

開關(guān)穩(wěn)壓器的熱回路因開關(guān)穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而異，其設(shè)計(jì)應(yīng)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(qū)域，但是可以將熱回路分成極性相反的兩個(gè)回路。通過產(chǎn)生兩個(gè)極性相反的磁場，從而大幅抵消輻射噪聲。

 

 

Silent Switcher穩(wěn)壓器中的磁場抵消

 

改善EMI的另一種方法是縮短熱回路中的導(dǎo)線，這可以通過放棄將芯片連接至封裝引腳的傳統(tǒng)鍵合線方法來實(shí)現(xiàn)。在封裝中倒裝硅芯片，并添加銅柱。通過縮短內(nèi)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鍵合線的拆解示意圖

 

遵循這一設(shè)計(jì)思想，如何確保在設(shè)計(jì)及整個(gè)生產(chǎn)過程中的正確布局，答案就是Silent Switcher 2穩(wěn)壓器。Silent Switcher 2穩(wěn)壓器能夠進(jìn)一步減少EMI，通過將電容（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(nèi)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)的典型開關(guān)穩(wěn)壓器，其獨(dú)特的架構(gòu)運(yùn)用兩個(gè)內(nèi)部輸入電容器以及內(nèi)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關(guān)邊沿，因此LT8609S的設(shè)計(jì)顯著地降低了EMI/EMC輻射，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有一個(gè)整體接地平面，并用銅柱代替了接合線。這種改善的EMI /EMC性能對電路板布局不敏感，從而簡化了設(shè)計(jì)并降低了風(fēng)險(xiǎn)，即使在采用兩層PC板時(shí)也不例外。在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)開關(guān)頻率為 2MHz 的情況下，LT8609S 可輕松通過汽車 CISPR 25 的 Class 5 峰值 EMI 限制。該器件也提供了擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制功能，以進(jìn)一步降低 EMI / EMC 水平。

 

 

 

LT8609S的同步整流在開關(guān)頻率為2MHz時(shí)提供高達(dá)93%的效率。其3.0V至42V輸入電壓范圍非常適合汽車和工業(yè)應(yīng)用。內(nèi)部高效率開關(guān)可向低至0.774V的電壓提供高達(dá)2A連續(xù)輸出電流和3A峰值負(fù)載。LT8609S突發(fā)模式運(yùn)行的靜態(tài)電流僅為2.5µA，非常適合諸如汽車始終保持接通系統(tǒng)等應(yīng)用，這些系統(tǒng)需要很低的靜態(tài)電流來延長電池運(yùn)行壽命。LT8609S 的獨(dú)特設(shè)計(jì)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?yán)滠嚢l(fā)動(dòng)等情況下表現(xiàn)出色。此外，僅為45ns的快速最短接通時(shí)間實(shí)現(xiàn)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)可避開關(guān)鍵噪聲敏感頻段。LT8609S 的16引線、3mm x 3mm LQFN封裝和高開關(guān)頻率允許使用小型外部電感器和電容器，因此可構(gòu)成占板面積緊湊和高熱效率的解決方案。

 

本文小結(jié)

熟練的PCB設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(jié)構(gòu)、熱設(shè)計(jì)要求和封裝尺寸決定了熱回路的最小尺寸。以LT8609S為典型的ADI一系列Silent Switcher 2技術(shù)電源器件通過設(shè)計(jì)與封裝工藝考量盡可能降低熱回路影響，其功能和優(yōu)勢將使開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)更容易滿足CISPR 32和CISPR 25等各種抗噪標(biāo)準(zhǔn)要求。