本文編譯自EDN，作者 TI 汽車電子市場經(jīng)理Zachary Imm
隨著汽車配備越來越多的傳感器和功能，汽車中的電子含量不斷增加，功率水平也不斷提高。過去依賴低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）的工程師現(xiàn)在可能需要使用降壓拓?fù)鋪頋M足系統(tǒng)的高效率要求。
降壓器在更高的效率下可以提供比典型LDO更大的功率，但有一個明顯缺點(diǎn)——它的開關(guān)特性會產(chǎn)生電磁干擾（EMI），這對于汽車應(yīng)用而言可能是一個嚴(yán)重的問題。幸運(yùn)的是，工程師可以使用許多技巧和工具來降低EMI，包括優(yōu)化電路板布局，利用IC功能以及增加電路。
DC / DC轉(zhuǎn)換器會因輸入紋波，附近電路的電磁耦合以及電磁輻射而產(chǎn)生EMI。EMI會干擾AM / FM無線電接收器和其他敏感設(shè)備，例如主機(jī)或高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）傳感器。嚴(yán)重的EMI會在無線電和主機(jī)音頻中產(chǎn)生靜態(tài)噪聲或其他類型的噪聲，干擾ADAS傳感器，并降低其他系統(tǒng)的性能。
為了防止這種嚴(yán)重的干擾，工程師需要設(shè)計符合官方標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，例如CISPR 25 Class5。由于不良的布局會導(dǎo)致設(shè)備無法通過標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)設(shè)定的EMI限制，因此在電路板布局期間需遵循良好的布局優(yōu)化實踐。降壓轉(zhuǎn)換器的最重要做法是：
通過快速變化的電壓（高dv / dt）減小節(jié)點(diǎn)的表面積。
通過快速變化的電流（高di / dt）減小電流環(huán)路的面積。
這兩個基本規(guī)則將決定工程師在何處放置某些組件，以最大程度地降低EMI。
不幸的是，即使是最優(yōu)化的PCB布局也無法防止所有與EMI相關(guān)的問題。此外，由于電路板的尺寸，形狀或時間的限制，通常無法盡可能地優(yōu)化EMI的布局。例如，非常緊湊的布局可能要求您將功率電感器放置在電路板的底部，或者將輸入電容器放置在距離IC稍遠(yuǎn)的地方。
這些和其他布局限制會導(dǎo)致EMI，從而降低系統(tǒng)性能。即使有經(jīng)驗和異常謹(jǐn)慎，板卡也可能需要進(jìn)一步優(yōu)化。這些額外的板卡修訂需要時間和金錢。那么，除了優(yōu)化布局以使應(yīng)用的EMI降至最低之外，您還能做什么？
繞過電路板布局的限制
如果無法針對最佳EMI優(yōu)化布局，則某些DC / DC轉(zhuǎn)換器會在設(shè)備級別提供許多封裝和功能改進(jìn)，以幫助最大程度地降低EMI并使其更容易滿足CISPR 25 Class5限制。這些功能使電路板設(shè)計與布局無關(guān)。換句話說，它們可以幫助彌補(bǔ)布局方面的缺陷。
例如，擴(kuò)頻是一種擴(kuò)展諧波能量以減少峰值和平均EMI測量值的功能。通過對尖峰時鐘進(jìn)行調(diào)制處理，使其從一個窄帶時鐘變?yōu)橐粋�具有邊帶的頻譜，將尖峰能量分散到展頻區(qū)域的多個頻率段，從而達(dá)到降低尖峰能量，抑制EMI的效果。它通過抖動開關(guān)頻率來擴(kuò)展頻譜密度，例如，在±2％的范圍內(nèi)擴(kuò)頻，將看到諧波能量在第25個和更高的諧波上完全混合或重疊，而不是固定頻率，這將使諧波尖峰保持在基頻上。能量在較高的頻率中均勻分布，從而導(dǎo)致較低的測量值包絡(luò)，僅需較少的濾波和較少的布局優(yōu)化，從而節(jié)省了時間和金錢。
擺率控制是有助于改善EMI性能的另一個功能，EMI的主要來源是開關(guān)環(huán)。開關(guān)環(huán)是由高邊FET的快速導(dǎo)通引起的，它會快速從輸入電容器中拉出電流，輸入寄生回路電感和低邊FET寄生電容的共振，會產(chǎn)生的數(shù)百兆赫的振鈴噪音。通過減慢上升時間會減慢電流消耗，從而減少振鈴和EMI。通過增加一個與啟動電容器串聯(lián)的電阻（幾歐姆的數(shù)量級）可以減慢上升時間，并且某些器件具有專用的啟動電阻器引腳。這里需要權(quán)衡：放慢FET的頻率可使EMI最小化，但也會增加開關(guān)損耗，從而降低效率。
此外，還有一些有助于抑制EMI的封裝技術(shù)。TI的HotRod封裝就是一個例子，該封裝消除了內(nèi)部鍵合線，如圖1所示。不連續(xù)的電流會導(dǎo)致開關(guān)節(jié)點(diǎn)上數(shù)百兆赫茲的振鈴，該振鈴會耦合并輻射，從而引起EMI。去除輸入電容器不連續(xù)電流的高di / dt環(huán)路路徑中的鍵合線可降低環(huán)路電感。從而減少了振鈴，降低了EMI。HotRod系列產(chǎn)品包括了LM61460-Q1和LM53635-Q1等器件。
圖1標(biāo)準(zhǔn)QFN和TI的HotRod QFN的區(qū)別。資料來源：德州儀器
其他封裝級功能包括優(yōu)化的引腳排列。器件可以通過整理引腳位置來提高EMI性能，從而使關(guān)鍵路徑（例如輸入電容器）保持盡可能小。器件通常將VIN和GND（或PGND）引腳彼此相鄰放置，以便為電容器的連接提供最佳位置。
更進(jìn)一步，采用對稱的引腳排列。將VIN / PGND對稱地放置在封裝的任一側(cè)，可使輸入環(huán)路磁場自成一體，從而進(jìn)一步降低了EMI。許多DC / DC降壓轉(zhuǎn)換器，例如LMR33630，LMR36015，LM61460和LMQ61460-Q1具有對稱的VIN / PGND引腳對（圖2b ）。
集成輸入電容器
下一代采用EMI優(yōu)化封裝的產(chǎn)品采用集成電容器來進(jìn)一步減小輸入寄生電感。LMQ61460-Q1的每一側(cè)均包含兩個集成輸入旁路電容器，每個VIN / PGND對均有一個。這些電容器是橫跨在圖2a所示的右上和右下引腳對（VIN和PGND）上的深色矩形。圖2b顯示了該器件的引腳分配，以供參考。
最小化高頻EMI尤為重要，因為汽車應(yīng)用中常見的更高的輸入電壓和更高的輸出電流會加劇該領(lǐng)域的問題。
圖2 利用X射線，顯示了帶有集成電容器（a）的LMQ61460-Q1降壓型低噪聲轉(zhuǎn)換器（可將其與引腳參考（b））。資料來源：德州儀器
的確，EMI在汽車應(yīng)用中提出了挑戰(zhàn)，但設(shè)計工程師如果遇到電路板布局約束，也并非沒有選擇。從戰(zhàn)略性器件引腳排列到集成特性（例如低電感封裝，擺率控制，擴(kuò)展頻譜和集成電容器），有許多方法可以解決這一難題。
這些功能使工程師可以放寬對EMI布局的嚴(yán)格優(yōu)化，以換取更全面的布局設(shè)計，從而為優(yōu)化性能留出更多空間，以獲得更好的熱性能和/或更小的解決方案尺寸。這些功能可改善您的設(shè)計，以滿懷信心地滿足標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)設(shè)定的EMI限制。
|
