是否可以在拥挤的板上安装低EMI电源？

2021-01-08

局限性和不断缩小的电路板空间，紧凑的设计周期以及严格的电磁干扰（EMI）规范（例如CISPR 32和CISPR 25）是限制因素，使它们难以生产具有高效率和良好热性能的电源。设计周期使事情变得更加复杂，设计周期通常将电源设计推到设计过程的末尾，这是令人沮丧的秘诀，因为设计师试图将复杂的电源压缩到更狭窄的位置。性能会受到影响，无法按时完成设计，从而使罐子进入测试和验证阶段。传统上，简单性，性能和解决方案量大相径庭：确定一个或两个所需功能的优先级，并且不具备第三个功能，尤其是在设计截止日期临近时。

本文首先概述了复杂电子系统中电源引起的重要问题：EMI，通常简称为噪声。电源会产生它，必须加以解决，但是其来源和典型的缓解策略是什么？本文介绍了EMI降低策略，提出了一种降低EMI，保持效率并将电源安装到有限解决方案体积中的解决方案。

什么是EMI？

电磁干扰是会破坏系统性能的电磁信号。这种干扰会通过电磁感应，静电耦合或传导影响电路。对于汽车，医疗以及测试和测量设备制造商来说，这是一个至关重要的设计挑战。上面提到的许多限制和对电源的性能要求的不断提高（功率密度的提高，更高的开关频率和更高的电流）仅能扩大EMI的影响，要求采用解决方案来降低EMI。在许多行业中，必须满足EMI标准，如果在设计周期的初期就不考虑，则会极大地影响产品上市时间。

EMI耦合类型

当干扰源与接收器（即电子系统中的某些组件）耦合时，EMI是电子系统中的一个问题。EMI按其耦合介质分类：传导或辐射。

传导EMI（低频，450 kHz至30 MHz）

传导的EMI通过寄生阻抗以及电源和接地连接通过传导耦合到组件。噪声通过传导传输到另一个设备或电路。传导EMI可以进一步分为共模噪声或差模噪声。

共模噪声是通过寄生电容和高dV / dt（C×dV / dt）传导的。它遵循从寄生信号到任何信号（正或负）到GND的路径，如图1所示。

差模噪声是通过寄生电感（磁耦合）和高di / dt（L×di / dt）传导的。

图1.差模和共模噪声。

辐射EMI（高频，30 MHz至1 GHz）

辐射EMI是通过磁能无线传输到被测设备的噪声。在开关电源中，噪声是高di / dt加上寄生电感的结果。辐射噪声会影响附近的设备。

EMI控制技术

解决电源中与EMI相关的问题的典型方法是什么？首先，确定EMI是一个问题。这似乎很明显，但是获得此知识可能很耗时，因为它需要进入EMI室（并非每个角落都可用）以量化电源产生的电磁能，以及该电磁能是否完全落在EMI提出的标准之内。系统。

假设经过测试，电源会带来EMI问题，那么人们将面临通过多种传统校正策略来降低电源的过程，其中包括：

在最小的电路板面积上实现高效率。

良好的热性能。

布局优化：仔细的电源布局与为电源选择正确的组件一样重要。成功的布局很大程度上取决于电源设计人员的经验水平。布局优化本质上是迭代的，经验丰富的电源设计人员可以帮助最大程度地减少迭代次数，从而避免时间延迟和额外的设计成本。问题是：内部通常不提供这种经验。

缓冲器：一些设计人员会提前计划并为简单的缓冲器电路（从开关节点到GND的简单RC滤波器）提供占位面积。这可以抑制开关节点的振铃（EMI干扰因素），但是这种技术会导致损耗增加，从而对效率产生负面影响。

降低的边沿速率：通过降低栅极导通的压摆率，也可以减少开关节点的振铃。不幸的是，这像缓冲器一样，会对整个系统的效率产生负面影响。

扩频频率调制（SSFM）：此功能是许多Analog Devices利用Linear™开关稳压器提供的选件，可帮助设计通过严格的EMI测试标准。在SSFM中，用于驱动开关频率的时钟在已知范围内调制（例如，在已编程的fSW周围有±10％的变化）。这有助于在更宽的频率范围内分配峰值噪声能量。

过滤器和屏蔽：过滤器和屏蔽在金钱和空间上总是昂贵的。它们也使生产复杂化。

以上所有偶然性都可以减少噪声，但是它们都有缺点。在电源设计中将噪声降至最低通常是最干净的途径，但很难实现。ADI SilentSwitcher®和Silent Switcher 2稳压器在稳压器处实现了低噪声，从而避免了额外的滤波，屏蔽或大量布局迭代的需要。避免昂贵的对策可加快产品上市时间，并节省大量成本。

最小化电流环路

为了降低EMI，必须确定电源电路中的热环路（高di / dt环路）并减少其影响。热环路如图2所示。在一个标准降压转换器的一个周期中，交流电流过蓝色环路，M1闭合，M2断开。在M1断开和M2闭合的关断周期中，电流流过绿色环路。产生最高EMI的环路既不是蓝色环路也不是绿色环路，这不是完全直观的，只有紫色环路进行完全开关的交流，从零切换到IPEAK，然后再回到零。该环路称为热环路，因为它具有最高的ac和EMI能量。

开关热环路中的高di / dt和寄生电感会引起电磁噪声和开关振铃。为了降低EMI并改善功能，需要尽可能降低紫色环路的辐射效应。热环路的辐射发射随其面积增加而增加，因此，如果可能的话，将热环路的PC面积减小到零，并使用具有零阻抗的理想电容器可以解决该问题。

图2.降压转换器热循环。

使用静音开关稳压器实现低噪声

磁抵消

不可能将热回路面积减小到零，但是我们可以将热回路分成极性相反的两个回路。这有效地包含了局部磁场，并且这些磁场在距IC任意距离处都可以有效地相互抵消。这就是静音开关稳压器背后的概念。

图3.静音开关稳压器中的电磁抵消。

倒装芯片替代引线键合

改善EMI的另一种方法是缩短热回路中的导线。这可以通过取消将管芯连接到封装引脚的传统引线键合方法来实现。在封装中，硅被翻转并且铜柱被添加。通过缩短从内部FET到封装引脚和输入电容器的距离，这进一步减小了热环路的面积。

图4.拆开的LT8610中所示的引线键合。

图5.带有铜柱的倒装芯片。

静音切换器与静音切换器2

图6.典型的静音开关应用程序原理图及其在PCB上的外观。

图6显示了使用静音开关稳压器的典型应用，通过两个输入电压引脚上的对称输入电容器可以识别该应用。布局在该方案中很重要，因为静音开关技术要求这些输入电容器尽可能对称地布置，以提供相互抵消的优势。否则，将失去静音切换器技术的优势。当然，问题是如何确保设计中以及整个生产过程中的正确布局？答案是Silent Switcher 2稳压器。

静音切换器2

Silent Switcher 2稳压器进一步降低了EMI。通过将电容器集成到LQFN封装（VIN电容，INTVCC和升压电容）中，消除了EMI对PCB布局的性能敏感性，从而可以将其放置在尽可能靠近引脚的位置。所有热环路和接地层都是内部的，从而将EMI降至最低，并总体上减小了解决方案的占板面积。

图7. Silent Switcher应用程序与Silent Switcher 2应用程序图。

图8.衰减的LT8640S Silent Switcher 2稳压器。

Silent Switcher 2技术还可以改善热性能。LQFN倒装芯片封装上的大型，多接地裸露焊盘有助于将热量从封装中抽出到PCB中。消除高电阻键合线也可以带来更高的转换效率。在进行EMI性能测试时，LT8640S以很大的幅度通过了CISPR 25 5类峰值限制。

µModule静音开关稳压器

利用开发Silent Switcher产品组合时获得的知识和经验，并将其与已经足够广泛的µModule®产品组合相结合，使我们能够提供易于设计的电源产品，同时满足电源的一些最重要指标-热，可靠性，准确性，效率和出色的EMI性能。

图9显示了LTM8053包含两个输入帽，从而可以消除磁场，以及该电源工作所需的许多其他无源元件。所有这些都是通过6.25 mm×9 mm×3.32 mm BGA封装实现的，客户可以将精力集中在电路板设计的其他领域。

图9. LTM8053静音开关裸露的裸片和EMI结果。

无需LDO稳压器-电源案例研究

典型的高速ADC需要许多电压轨，其中一些电压轨必须非常安静才能达到ADC数据表所列的最高性能。为了达到高效率，小板面积和低噪声之间的平衡，公认的解决方案是将开关电源与LDO后稳压器结合使用，如图10所示。开关稳压器能够以较高的效率实现相对较高的降压比，但是比较吵。低噪声LDO后稳压器效率相对较低，但它可以抑制开关稳压器产生的大部分传导噪声。最小化LDO后调节器的降压比有助于提高效率。这种结合产生干净的电源，从而使ADC以最高性能运行。问题在于众多监管机构的布局复杂，

图10.为AD9625  ADC供电的典型电源设计 。

在图10所示的设计中，显然需要权衡取舍。在这种情况下，低噪声是重中之重，因此效率和电路板空间必须受到损害。或者可能不是。最新一代的Silent Switcher µModule器件将低噪声能力的开关稳压器设计与µModule封装相结合，实现了迄今为止难以实现的简单设计，高效，紧凑和低噪声的组合。这些稳压器最大程度地减少了电路板面积，但也实现了可扩展性-可以通过一个µModule稳压器为多个电压轨供电，从而进一步节省了面积和时间。图11显示了使用LTM8065静音开关µModule稳压器为ADC供电的另一种功率树。

图11.使用静音切换器µModule调节器为AD9625供电的节省空间的解决方案。

这些设计已经过相互测试。ADI公司最近发表的一篇文章对使用图10和图11中的电源设计的ADC性能进行了测试和比较。1测试了三种配置：

使用开关稳压器和LDO稳压器为ADC供电的标准配置。

使用LTM8065直接为ADC供电，无需进一步滤波。

将LTM8065与输出LC滤波器配合使用可进一步净化输出。

测得的SFDR和SNRFS结果表明LTM8065可直接用于为ADC供电，而不会影响ADC的性能。

此实施方案的核心好处是大大减少了组件数量，从而提高了效率，简化了生产并减小了电路板面积。