【導(dǎo)讀】在電子設(shè)備設(shè)計(jì)中，高壓異步升壓控制器的電磁干擾（EMI）問(wèn)題一直是工程師們關(guān)注的焦點(diǎn)。許多人認(rèn)為，只有采用集成度極高的芯片方案才能有效降低輻射，然而事實(shí)并非如此。本文將通過(guò)實(shí)際案例與深入分析，揭示即便使用帶有分立電源開關(guān)和續(xù)流二極管的控制器產(chǎn)品，也能通過(guò)優(yōu)化PCB布局和精準(zhǔn)控制開關(guān)邊緣速率，實(shí)現(xiàn)出色的低輻射表現(xiàn)，輕松滿足嚴(yán)格的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。此外，文章還將分享兩個(gè)成功通過(guò)CISPR 25 5類輻射測(cè)試的參考設(shè)計(jì)，為工程師提供可借鑒的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。
摘要
在電子設(shè)備設(shè)計(jì)中，高壓異步升壓控制器的電磁干擾（EMI）問(wèn)題一直是工程師們關(guān)注的焦點(diǎn)。許多人認(rèn)為，只有采用集成度極高的芯片方案才能有效降低輻射，然而事實(shí)并非如此。本文將通過(guò)實(shí)際案例與深入分析，揭示即便使用帶有分立電源開關(guān)和續(xù)流二極管的控制器產(chǎn)品，也能通過(guò)優(yōu)化PCB布局和精準(zhǔn)控制開關(guān)邊緣速率，實(shí)現(xiàn)出色的低輻射表現(xiàn)，輕松滿足嚴(yán)格的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。此外，文章還將分享兩個(gè)成功通過(guò)CISPR 25 5類輻射測(cè)試的參考設(shè)計(jì)，為工程師提供可借鑒的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。
引言
許多汽車和工業(yè)應(yīng)用的目標(biāo)是降低開關(guān)模式電源(SMPS)的輻射。SMPS因噪聲大且難以滿足CISPR輻射標(biāo)準(zhǔn)而廣為人知。在過(guò)去十年里，我們一直努力降低SMPS的輻射，最終率先開發(fā)出一款異步升壓控制器IC（外部電源開關(guān)），側(cè)重于輕松地大幅減少電磁干擾(EMI)。
單芯片開關(guān)十分便捷，適用于DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。由于集成了電源器件、控制環(huán)路和其他功能，單芯片開關(guān)只需要極少的外部元件。雖然電源開關(guān)的集成簡(jiǎn)化了電路板設(shè)計(jì)和布局，但不使用外部電源開關(guān)時(shí)，輸出功率會(huì)降低。集成開關(guān)具有緊湊的熱回路和更低的輻射，將所有高功率損耗集中在IC封裝的有限空間內(nèi)。這可能會(huì)帶來(lái)熱性能方面的難題，特別是在高功率、高頻率或高電壓系統(tǒng)中。許多應(yīng)用所需的功率水平超出了單芯片能夠提供的水平，高達(dá)50 W。因此，驅(qū)動(dòng)外部功率FET的控制器IC仍然必不可少。
圖1.適用于LT8357的EVAL-LT8357-AZ高性能、低EMI評(píng)估板。
圖2.EVAL-LT8357-AZ熱回路示意圖。
為滿足市場(chǎng)對(duì)于低輻射升壓轉(zhuǎn)換器的不斷增長(zhǎng)的需求，我們開發(fā)了新型升壓控制器。這款異步控制器能夠驅(qū)動(dòng)單個(gè)高電壓電源開關(guān)，而且用途廣泛，可用作升壓和單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)。尤其是汽車應(yīng)用，正好需要寬輸入電壓范圍、低靜態(tài)電流和擴(kuò)頻特性。LT8357為工業(yè)、汽車和電池供電系統(tǒng)提供簡(jiǎn)單、緊湊且高效的解決方案（參見圖1）。
近年來(lái)，ADI公司投入巨大精力，不斷突破技術(shù)界限，以降低開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輻射。Silent Switcher?技術(shù)的推出意味著達(dá)到了理想的低輻射水平。2020年，首款Silent Switcher單芯片升壓轉(zhuǎn)換器LT8336發(fā)布。Silent Switcher IC是集成了同步電源開關(guān)的單芯片轉(zhuǎn)換器。這些IC將多種技術(shù)相結(jié)合（包括集成或減少熱回路），以最大限度降低因切換熱回路產(chǎn)生的輻射。1
Silent Switcher架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)低輻射的一種方法，但并不是唯一的方法。單芯片異步轉(zhuǎn)換器僅將一個(gè)電源開關(guān)集成到IC硅片或封裝中，也能實(shí)現(xiàn)低輻射。2
布局非常重要！
要在SMPS轉(zhuǎn)換器，尤其是控制器IC中實(shí)現(xiàn)低輻射，PCB布局是關(guān)鍵。與提供開關(guān)集成以幫助降低輻射的單芯片解決方案不同，控制器IC還需要考慮其他因素，從而最大限度降低輻射并滿足CISPR標(biāo)準(zhǔn)。本文提供相關(guān)技巧以實(shí)現(xiàn)性能最大化，其中圖7提供有關(guān)最佳輻射布局的指導(dǎo)，圖8至圖10展示了利用不當(dāng)技術(shù)修改的布局。
圖3.EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類傳導(dǎo)電壓輻射，分別采用理想的PCB布局(A)與大熱回路(B)。
圖4.EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類傳導(dǎo)電壓輻射，分別采用理想的PCB布局(A)與擴(kuò)大的開關(guān)節(jié)點(diǎn)平面(C)。
圖5.EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類傳導(dǎo)電壓輻射，分別采用理想的PCB布局(A)與帶過(guò)孔的SW節(jié)點(diǎn)(D)。
圖6.EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類電磁輻射騷擾，分別采用理想的PCB布局(A)與帶過(guò)孔的SW節(jié)點(diǎn)(D)。
熱回路管理
異步開關(guān)模式升壓轉(zhuǎn)換器需要使用主開關(guān)和輸出續(xù)流二極管。相比之下，同步轉(zhuǎn)換器使用兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器和電源開關(guān)，通過(guò)控制邏輯實(shí)現(xiàn)同步，以最大限度減少潛在續(xù)流二極管（異步）傳導(dǎo)損耗。然而，同步轉(zhuǎn)換器更加復(fù)雜，比如，要求柵極定時(shí)以防止直通電流，并且高端柵極驅(qū)動(dòng)器需要額外的硅空間（和成本）。異步轉(zhuǎn)換器僅需要單個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器，并且電源開關(guān)和續(xù)流二極管之間不需要消隱時(shí)間。
然而，這兩個(gè)組件之間的大電流開關(guān)動(dòng)作可能會(huì)給低EMI轉(zhuǎn)換器造成難題。為了緩解潛在問(wèn)題，最佳做法是盡量減少升壓轉(zhuǎn)換器中的熱回路。熱回路包含三個(gè)組成部分：主開關(guān)、續(xù)流二極管（或同步開關(guān)）和輸出電容。通常情況下（與LT8357一樣），峰值開關(guān)電流檢測(cè)電阻也是熱回路的一部分（參見圖2）。在SEPIC配置中，熱回路中還包含兩個(gè)繞組之間的耦合電容。大熱回路會(huì)在大電流開關(guān)路徑中引入額外的走線電感。額外的電感可能會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)電壓尖峰，成為重要的輻射源。圖3顯示了熱回路管理如何幫助減少傳導(dǎo)電壓測(cè)試中的一些輻射。
圖7.EVAL-LT8357-AZ最佳布局(A)。
圖8.EVAL-LT8357-AZ大熱回路(B)。
圖9.EVAL-LT8357-AZ大SW節(jié)點(diǎn)平面(C)。
圖10.EVAL-LT8357-AZ帶過(guò)孔的SW節(jié)點(diǎn)(D)。
縮小開關(guān)節(jié)點(diǎn)平面
在開發(fā)低EMI電路板時(shí)，縮小開關(guān)節(jié)點(diǎn)平面的尺寸是另一個(gè)重要考慮因素。開關(guān)節(jié)點(diǎn)平面由開關(guān)的漏極、電感的一端及續(xù)流二極管的陽(yáng)極組成。通過(guò)大開關(guān)節(jié)點(diǎn)平面增加熱傳導(dǎo)的表面積雖然可能很有吸引力，但這會(huì)導(dǎo)致輻射增加。圖4顯示了縮小開關(guān)節(jié)點(diǎn)平面如何有助于減少特定區(qū)域的傳導(dǎo)電壓輻射。
使開關(guān)節(jié)點(diǎn)平面保持在同一層
無(wú)論何時(shí)，盡可能使開關(guān)節(jié)點(diǎn)平面保持在單一層至關(guān)重要。有時(shí)，由于尺寸限制，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)將電感放置在一側(cè)，將開關(guān)放置在另一側(cè)。然而，這就要求開關(guān)節(jié)點(diǎn)平面通過(guò)一些過(guò)孔，遍歷到另一個(gè)層，然后再回來(lái)。雖然這種方法可以節(jié)省電路板板空間，但會(huì)導(dǎo)致輻射增加。開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的過(guò)孔可能會(huì)起到附加天線的作用，發(fā)出噪聲和其他輻射，這可通過(guò)用于測(cè)量輻射的天線輕松檢測(cè)到。圖5和圖6詳細(xì)展示了開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的過(guò)孔產(chǎn)生的輻射。
通過(guò)展頻(SSFM)實(shí)現(xiàn)高達(dá)2 MHz的開關(guān)頻率
隨著器件不斷縮小并將更多功能和功率要求整合到更小的面積中，對(duì)減少電路板面積的需求日益增長(zhǎng)，首當(dāng)其沖的就是電源。電感通常是最大的元件，在減少電路板面積的過(guò)程中成為一大難題。有充分證據(jù)表明，在開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，所需電感與開關(guān)頻率成反比。例如，對(duì)于200 kHz，如果設(shè)計(jì)需要10 μH電感，那么在2 MHz時(shí)，相同功率要求將僅需1 μH電感。LT8357提供高達(dá)2 MHz的開關(guān)頻率靈活性，允許顯著減小電感尺寸，從而縮小開關(guān)節(jié)點(diǎn)。尺寸縮小可能有利于降低輻射。
2 MHz開關(guān)頻率還帶來(lái)了另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。CISPR 25施加了從530 kHz到1.8 MHz的限制，被稱為MW頻段，其中包含AM射頻頻段。為了符合規(guī)定，建議避免將開關(guān)頻率設(shè)置在此范圍內(nèi)。通過(guò)使用2 MHz的開關(guān)頻率，能夠完全避開MW頻段，為實(shí)現(xiàn)合規(guī)提供一些裕度。輻射圖的基波頻率在2 MHz時(shí)精確對(duì)準(zhǔn)，后續(xù)諧波則出現(xiàn)在更高的頻率上。這樣便無(wú)需使用龐大的低頻濾波器來(lái)衰減低于頻率CISPR下限的輻射。
在某些情況下，盡管做了努力，但基波頻率和諧波仍可能會(huì)超出限值。為解決這一問(wèn)題，ADI推出了具有SSFM特性的升壓控制器。SSFM特性對(duì)于通過(guò)CISPR 25輻射標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。利用三角擴(kuò)頻技術(shù)，這款I(lǐng)C可將開關(guān)頻率智能地?cái)U(kuò)展至高于設(shè)定頻率19%。這種擴(kuò)頻技術(shù)有助于降低最小和最大頻率下的輻射峰值。圖11顯示了內(nèi)置SSFM功能如何影響輻射頻譜，從而幫助降低輻射以滿足CISPR標(biāo)準(zhǔn)。
圖11.LT8357 2 MHz電路板在SSFM開啟和關(guān)閉時(shí)的最大平均輻射EMI。
分離柵極驅(qū)動(dòng)器和開關(guān)節(jié)點(diǎn)邊沿速率控制
在每個(gè)周期內(nèi)，開關(guān)節(jié)點(diǎn)都會(huì)經(jīng)歷從0 V到VOUT的變遷（上升和下降），因此產(chǎn)生了大量高頻輻射。在單芯片轉(zhuǎn)換器中，IC設(shè)計(jì)決定開關(guān)節(jié)點(diǎn)的上升和下降特性，用戶無(wú)法控制這些因素。幸運(yùn)的是，許多單芯片轉(zhuǎn)換器可通過(guò)控制開關(guān)邊緣行為來(lái)最大限度減少輻射。
對(duì)于控制器而言，開關(guān)是外部的，控制器提供柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制外部開關(guān)。良好的控制器能夠精確控制開關(guān)的導(dǎo)通，從而有效管理開關(guān)漏極的上升和下降。適當(dāng)控制開關(guān)的上升和下降可以大幅減少高頻電磁輻射。此外，使用柵極電阻（通常約為5 Ω）可以進(jìn)一步降低高頻率下的電磁輻射，但代價(jià)是效率降低。由于導(dǎo)通和關(guān)斷較慢，這種權(quán)衡取舍會(huì)產(chǎn)生額外的開關(guān)損耗。
LT8357引入了獨(dú)特的分離柵極驅(qū)動(dòng)器特性。以前，用戶只能通過(guò)單個(gè)電阻來(lái)控制柵極的導(dǎo)通和關(guān)斷。新的分離柵極驅(qū)動(dòng)器支持對(duì)柵極的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行精確、獨(dú)立的控制。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，柵極導(dǎo)通產(chǎn)生的電磁輻射明顯大于關(guān)斷的時(shí)候。精確控制減慢哪個(gè)邊沿的速率，可帶來(lái)顯著優(yōu)勢(shì)。通過(guò)在上拉時(shí)插入柵極電阻，并在下拉時(shí)忽略柵極電阻，可以大幅降低輻射同時(shí)保持高效率。
邊沿速率和開關(guān)輻射
圖12比較了不同柵極電阻之間的EVAL-LT8357-AZ輻射。根據(jù)圖12，柵極電阻主要影響400 MHz至500 MHz范圍內(nèi)的輻射。
圖12.具有不同柵極電阻組合的EVAL-LT8357-AZ的最大平均電磁輻射。藍(lán)色：RP = RN = 5.1 Ω，淺藍(lán)色：RP = 5.1 Ω，RN = 0 Ω，紫色：RP = RN =0 Ω，紅色：RP = 0 Ω，RN = 5.1 Ω
據(jù)觀察，上拉電阻對(duì)降低輻射的影響比下拉電阻更為顯著，下拉電阻帶來(lái)的影響極小。因此，為了優(yōu)化功率損耗并降低輻射，建議使用小型 5 Ω電阻作為上拉電阻，且下拉電阻無(wú)阻值或短路。
例如，EVAL-LT8357-AZ使用5.1 Ω上拉電阻，不使用下拉電阻。
圖13.具有不同上拉柵極電阻的2 MHz LT8357升壓控制器的最大平均電磁輻射。12 VIN至24 VOUT，2 A。
減小功率損耗
表1顯示了帶有短路輸入和輸出EMI濾波器的2 MHz、12 V輸入至24 V、2 A輸出升壓轉(zhuǎn)換器的效率差異。數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)將RN電阻減小至0 Ω，可實(shí)現(xiàn)最佳省電效果。開關(guān)功率損耗公式如下：
表1.配備不同柵極電阻的LT8357 2 MHz升壓轉(zhuǎn)換器的效率比較：12 VIN至24 VOUT，2 AOUT。
RGP是數(shù)據(jù)手冊(cè)中器件的“柵極上拉電阻”、用戶選擇的上拉柵極電阻及開關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)中柵極電阻RG的組合。RGN是所有相同電阻的組合，但也包含下拉電阻。Ciss、Cgd、Vgp和VTH均可在電源開關(guān)的數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。
柵極驅(qū)動(dòng)器和開關(guān)柵極之間的電阻直接影響功率損耗。執(zhí)行所有計(jì)算時(shí)，關(guān)斷開關(guān)損耗顯然相當(dāng)大。有趣的是，由于關(guān)斷期間流經(jīng)開關(guān)的電流較大，因此當(dāng)柵極電阻相同時(shí)，關(guān)斷功率損耗公式產(chǎn)生的損耗更高。由于柵極關(guān)斷不會(huì)產(chǎn)生大量輻射，因此在GATEN引腳和開關(guān)柵極之間使用0 Ω電阻（或短路）可優(yōu)化效率與輻射。例如，只需取消下拉柵極電阻，2 MHz開關(guān)轉(zhuǎn)換器即可將效率提高幾個(gè)百分點(diǎn)。這種改善不容小覷。分離柵極電阻能夠降低輻射，同時(shí)又不犧牲與額外柵極電阻相關(guān)的效率。
圖14.針對(duì)2 MHz修改的EVAL-LT8357-AZ。
EVAL-LT8357-AZ 2MHz修改
EVAL-LT8357-AZ是一款精心設(shè)計(jì)的升壓轉(zhuǎn)換器，可在200 kHz開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)低EMI。它配備一個(gè)相對(duì)較大的8 mm × 8 mm × 8 mm電感。然而，如果用戶認(rèn)為電感尺寸太大，也可輕松修改電路板，以使其在2 MHz開關(guān)頻率下運(yùn)行，同時(shí)保持相同的電壓和功率規(guī)格。通過(guò)這一修改，可以顯著縮小電感的尺寸，從8 mm × 8 mm × 8 mm減小到4 mm × 4 mm × 3 mm高的XGL4030-102電感。此外，無(wú)需使用龐大的混合聚合物輸出電容，并且可以縮小輸入EMI濾波器的尺寸。這些修改可節(jié)省大量電路板空間，同時(shí)仍支持從12 V輸入源轉(zhuǎn)換到24 V、2 A輸出的運(yùn)行要求。圖15至18顯示了符合CISPR 25 5類輻射標(biāo)準(zhǔn)的2 MHz電路板。
圖15.修改后的2 MHz EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類傳導(dǎo)電壓輻射平均值。
圖16.修改后的2 MHz EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類傳導(dǎo)電壓輻射峰值。
圖17.修改后的2 MHz EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類電磁輻射騷擾平均值。
圖18.修改后的2 MHz EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類電磁輻射騷擾峰值。
表2.新型低EMI升壓轉(zhuǎn)換器
結(jié)論
LT8357升壓控制器是一款功能豐富的產(chǎn)品，專為低輻射而設(shè)計(jì)，而且仍保持易于操作的特性。10引腳IC既不會(huì)過(guò)于復(fù)雜，也不會(huì)因?yàn)檫^(guò)于簡(jiǎn)單而無(wú)法設(shè)計(jì)。這款轉(zhuǎn)換器不包含同步開關(guān)等不必要的特性，從而確保精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)。它具有足夠數(shù)量的特性，可保持高效率和低輻射。這些特性相結(jié)合，再加上易設(shè)計(jì)性，使這款器件成為表2所示的低輻射升壓轉(zhuǎn)換器系列的理想配套產(chǎn)品。
新一代升壓控制器經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)，可滿足對(duì)低輻射、高電壓和高電流升壓轉(zhuǎn)換器日益增長(zhǎng)的需求。作為異步控制器，它能夠驅(qū)動(dòng)單個(gè)高電壓電源開關(guān)，而且用途廣泛，可用作升壓和SEPIC轉(zhuǎn)換器。此外，它支持自定義。其電流模式架構(gòu)支持100 kHz至2 MHz的可調(diào)節(jié)和可同步的固定頻率運(yùn)行方式。內(nèi)部集成的19%三角SSFM運(yùn)行特性可啟用或禁用，從而提高EMI性能。作為一款有價(jià)值的工具，分離式5 V柵極驅(qū)動(dòng)器能夠在N溝道MOSFET或GaNFET中更好地平衡輻射和效率。這款升壓轉(zhuǎn)換器具有3 V至60 V的寬輸入電壓范圍、專用PGOOD引腳和8μA低靜態(tài)電流，為工業(yè)、汽車和電池供電系統(tǒng)提供簡(jiǎn)單、緊湊和高效的解決方案。
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