幾款實(shí)用電路，告訴你如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜低EMI

對(duì)于汽車(chē)、通信以及測(cè)試與測(cè)量設(shè)備等廣大系統(tǒng)制造商來(lái)說(shuō)，技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了終端功能與性能的大幅提升，其根源在于系統(tǒng)中配備的功能愈加豐富的電子模塊。然而功能越豐富，電路就越復(fù)雜，不論是新款汽車(chē)中裝載的中控集成式多媒體系統(tǒng)、高性能音響系統(tǒng)，還是體積越來(lái)越小的5G通信設(shè)備（手機(jī)及基站），抑或是要求精度越來(lái)越高的儀器儀表，對(duì)于高精度數(shù)字和模擬IC的要求都愈發(fā)嚴(yán)苛，特別是在供電需求方面。

作為任何電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可或缺的部分，電源性能的高低對(duì)于系統(tǒng)性能的高低有著至關(guān)重要的影響。而電磁干擾(EMI)特性則是其中最關(guān)鍵的性能之一。這種干擾通過(guò)電磁感應(yīng)、靜電耦合或傳導(dǎo)來(lái)影響電路，對(duì)于電源性能的任何要求（功率密度增加、開(kāi)關(guān)頻率更高以及電流更大）都會(huì)擴(kuò)大EMI的影響。因此，如果在設(shè)計(jì)初期不加以考慮，將會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的性能及上市時(shí)間。針對(duì)此種現(xiàn)狀，ADI推出了專(zhuān)為低EMI場(chǎng)景設(shè)計(jì)的Silent Switcher系列架構(gòu)穩(wěn)壓器解決方案。

Silent Switcher架構(gòu)這樣消除EMI干擾

最常用的EMI管制標(biāo)準(zhǔn)是CISPR 25 Class 5，它詳細(xì)說(shuō)明了150 kHz至1 GHz頻率下的可接受限值。要在達(dá)到該要求，通常會(huì)涉及復(fù)雜的設(shè)計(jì)和測(cè)試程序，包括在解決方案的尺寸、總效率、可靠性和復(fù)雜性等眾多方面進(jìn)行權(quán)衡。傳統(tǒng)方法通過(guò)減慢開(kāi)關(guān)邊沿或降低開(kāi)關(guān)頻率來(lái)控制EMI，由此帶來(lái)的弊端是效率降低，最小開(kāi)關(guān)時(shí)間增加，解決方案尺寸增大。替代緩解方案包含龐大復(fù)雜的EMI濾波器、緩沖器或金屬屏蔽，這會(huì)顯著增加電路板空間、元件和裝配方面的成本，并使熱管理和測(cè)試復(fù)雜化。

Silent Switcher降壓型穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)在高開(kāi)關(guān)頻率(>2 MHz)下提供高效率、超低電磁干擾輻射，從而可實(shí)現(xiàn)非常緊湊且低噪聲的降壓解決方案。該系列采用了特殊的設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)：在設(shè)計(jì)上，通過(guò)將熱回路分成極性相反的兩個(gè)回路，形成可以相互抵消的局部磁場(chǎng)；在封裝上，通過(guò)倒裝硅芯片并添加銅柱來(lái)縮短內(nèi)部FET到封裝引腳和輸入電容的距離，以縮小熱回路的范圍。利用上述技術(shù)，Silent Switcher在2 MHz下能夠?qū)崿F(xiàn)>92%的效率，同時(shí)可以輕松符合CISPR 25 5類(lèi)峰值EMI限制。

Silent Switcher穩(wěn)壓器中的磁場(chǎng)抵消

新一代的Silent Switcher 2技術(shù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用銅柱代替鍵合線，增加了內(nèi)部旁路電容，以及集成式襯底接地平面以進(jìn)一步提高EMI，使其對(duì)PCB布局不敏感，從而可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并降低性能風(fēng)險(xiǎn)。

典型的Silent Switcher應(yīng)用原理圖及其在PCB上的外觀

采用Silent Switcher架構(gòu)的幾大典型應(yīng)用場(chǎng)景

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應(yīng)對(duì)車(chē)載高電流應(yīng)用

汽車(chē)應(yīng)用要求系統(tǒng)不產(chǎn)生可能干擾其他汽車(chē)系統(tǒng)正常運(yùn)行的電磁噪聲。例如，開(kāi)關(guān)電源是高效率電源轉(zhuǎn)換器，但會(huì)產(chǎn)生不受歡迎的可能影響其他系統(tǒng)的高頻信號(hào)。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器噪聲發(fā)生在開(kāi)關(guān)頻率及其諧波處。受此類(lèi)噪聲影響的傳感器和其他儀器可能會(huì)運(yùn)行不正常，引起可聞噪聲或嚴(yán)重的系統(tǒng)故障。

下圖展示了一種低 IQ（靜態(tài)電流）、低噪聲解決方案，支持汽車(chē)I/O和外設(shè)的高電流應(yīng)用。前端的LT8672保護(hù)電路免受電池反向故障和高頻交流紋波的影響，正向壓降只有幾十mV。LT8650S的開(kāi)關(guān)頻率為 400 kHz，輸入范圍為3 V至40 V，兩個(gè)通道并聯(lián)工作時(shí)輸出能力為8 A。兩個(gè)去耦電容靠近LT8650S的輸入引腳放置。由于采用 Silent Switcher 2技術(shù)，即使沒(méi)有安裝EMI濾波器，高頻EMI性能也十分出色。該系統(tǒng)符合CISPR 25 Class 5峰值和均值的限值要求，而且裕量很大。

LT8672 和 LT8650S 配置用于高輸出電

下圖顯示了在30 MHz至1 GHz范圍內(nèi)的垂直極化的輻射EMI均值測(cè)試結(jié)果。完整解決方案具有原理圖簡(jiǎn)單、總元件數(shù)非常少、尺寸緊湊等特點(diǎn)，而且EMI性能不受電路板布局變化的影響。

LT8672 和 LT8650S EMI 性能：30 MHz 至 1 GHz

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應(yīng)對(duì)寬調(diào)光比LED照明應(yīng)用

LED 照明的許多應(yīng)用都需要寬調(diào)光比。以汽車(chē)為例，汽車(chē)平視顯示器、信息娛樂(lè)系統(tǒng)和儀表盤(pán)照明中使用的 LED 背光燈必須具備足夠的亮度，以便與在白天不斷涌入車(chē)內(nèi)的直射陽(yáng)光相抗衡，而且還能把亮度降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，以避免在夜間使駕駛者出現(xiàn)瞬間致盲。這種極端 LED 調(diào)光要求在不增加昂貴降噪組件和復(fù)雜性的情況下會(huì)難以符合 CISPR EMI 標(biāo)準(zhǔn)。

LT3932 通過(guò)納入許多旨在最大限度降低 EMI 的內(nèi)置功能，使得可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高調(diào)光比和低 EMI：

• 借助其用于低 EMI 熱環(huán)路的 Silent Switcher? 架構(gòu)最大限度降低 EMI。

• 內(nèi)置的擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制 (SSFM) 功能電路有助降低傳導(dǎo)和輻射 EMI。

• LT3932 的轉(zhuǎn)換速率是受控的，以在保持低噪聲性能的同時(shí)優(yōu)化效率。

2MHz 汽車(chē) LED 驅(qū)動(dòng)器具有低 EMI 和在內(nèi)部產(chǎn)生的 PWM 調(diào)光以及整個(gè)輸入范圍內(nèi)的 90% 峰值效率 (未采用 EMI 濾波器時(shí)效率為 ~91%)

集成了 36V、2A 開(kāi)關(guān)的 LT3932 同步降壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器將其高效率集成化電源開(kāi)關(guān)內(nèi)置在一個(gè)小外形 4mm x 5mm QFN 封裝中，并能以高達(dá) 2MHz 開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行，適用于緊湊的高帶寬設(shè)計(jì)。憑借用于處理開(kāi)路和短路 LED 的內(nèi)置故障保護(hù)功能，以及旨在幫助降低 EMI 的擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制，LT3932 可滿足汽車(chē)和工業(yè) LED 照明應(yīng)用的苛刻要求。

LT3932 電路通過(guò)了 CISPR 25 Class 5 輻射平均 EMI 測(cè)試

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應(yīng)對(duì)高精度測(cè)試測(cè)量應(yīng)用

為了確保高精度，精密測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)需要具有低紋波和輻射噪聲的電源解決方案，從而不會(huì)降低高分辨率轉(zhuǎn)換器信號(hào)鏈的性能。在這些測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用中，生成雙極和/或隔離系統(tǒng)電源給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了電路板面積、開(kāi)關(guān)紋波、EMI和效率方面的挑戰(zhàn)。

許多精密測(cè)試和測(cè)量?jī)x器（如源表或電源）需要進(jìn)行多象限操作，以獲取并測(cè)量正負(fù)信號(hào)。這就需要從單個(gè)具有低噪聲的正電源輸入有效地生成正負(fù)電源。使用Silent Switcher、μModule穩(wěn)壓器 LTM8074 提高降至更低電壓的高效率解決方案如下圖所示。

在低EMI的情況下將電壓降至更低電壓軌的電源解決方案

LTM8074是采用小型4 mm × 4 mm尺寸BGA封裝的Silent Switcher、μModule降壓穩(wěn)壓器，能夠以低輻射噪聲提供高達(dá)1.2 A電流。此μModule器件效率高且具有極低的輻射噪聲，因此是為噪聲敏感精密信號(hào)鏈供電的絕佳選擇。根據(jù)連接到放大器、DAC或ADC等由電源供電元件的PSRR，也許可以從Silent Switcher輸出端直接為其供電，無(wú)需LDO穩(wěn)壓器進(jìn)一步過(guò)濾電源紋波，而傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)需要這樣做。1.2A的高輸出電流也意味著在需要的情況下，它可用于為FPGA等系統(tǒng)中的數(shù)字硬件供電。LTM8074的小尺寸和高集成度使其非常適合空間受限應(yīng)用，同時(shí)簡(jiǎn)化并加速開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電源的設(shè)計(jì)和布局。

總結(jié)

電子系統(tǒng)當(dāng)前和未來(lái)都在不斷發(fā)展普及，可以預(yù)見(jiàn)，對(duì)低 EMI的要求注定會(huì)越來(lái)越嚴(yán)苛?；诖?，ADI將會(huì)不斷地發(fā)展Silent Switcher架構(gòu)，不斷地提供越來(lái)越多的解決方案，以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更加從容應(yīng)對(duì)現(xiàn)在、以及將來(lái)的各種挑戰(zhàn)。

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