電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計中的EMI輻射抑制方法探討

現(xiàn)代消費者比以往任何時候都更熱衷于追求和接受新鮮技術(shù)。隨著對智能手機(jī)、智能手表、平板電腦和可穿戴健身手環(huán)等設(shè)備進(jìn)行更新，他們對每一代新產(chǎn)品的性能預(yù)期也都會提升。他們不僅要求功能增強(qiáng)，而且期望設(shè)備變得更小、更快，運行時間也要比前代產(chǎn)品更長。

雖然這種對最新產(chǎn)品的強(qiáng)烈欲望推動了科技公司的業(yè)務(wù)發(fā)展，但它也對負(fù)責(zé)新設(shè)計的工程師們帶來了挑戰(zhàn)。為了創(chuàng)建高密度電路并增加運行時間，效率也必須提高。然而，隨著設(shè)計中的電子元器件變得越來越小型化和密密麻麻，在電磁干擾(EMI)相關(guān)問題上不偷工減料就顯得愈發(fā)重要。

電源轉(zhuǎn)換

所有的便攜式設(shè)備都有一個共同點，就是它們都由某種形式的電池供電。然而，來自電池的電壓不太可能直接為構(gòu)成產(chǎn)品設(shè)計核心的半導(dǎo)體器件所用，因此需要對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將電壓變換(并穩(wěn)定)到正確的水平。

所謂的“降壓”轉(zhuǎn)換器已經(jīng)變得非常流行——它為將電池電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的半導(dǎo)體電源提供了一種簡單且更有效的方式。降壓轉(zhuǎn)換器通過“斬斷”來自電池的直流電壓來改變電平，但是此舉有可能引入EMI相關(guān)問題。

電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計中的EMI輻射抑制方法探討

雖然EMI話題可能非常復(fù)雜，但設(shè)計人員在設(shè)計大多數(shù)降壓轉(zhuǎn)換器時有許多問題都應(yīng)當(dāng)關(guān)注：

· 電流回路的布局

· 元器件放置

· 輸出紋波電壓

· 輸入電容器的選擇

· 輻射EMI抑制

為了減小電源轉(zhuǎn)換器和相關(guān)磁性器件的尺寸，設(shè)計人員通常會使用更高的開關(guān)頻率。然而，隨著電流變化率(di/dt)的增加，產(chǎn)生EMI的可能性也會增加。為了最大限度地減少這些影響，了解電流如何在元器件之間流動就非常重要。一旦清楚地了解了電流路徑，設(shè)計人員就應(yīng)確保所有的返回電流路徑，尤其是接地走線，盡可能短并且低阻抗。

電流以及所選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(此例中為降壓拓?fù)?在確定元器件布局方面也起著重要作用。

一個關(guān)鍵考慮因素是在放置電容器和電感器時要確保電流回路最短。這樣做時，需要對輸入電源走線進(jìn)行布線。在此，設(shè)計人員應(yīng)確保使這些走線的電感大于輸入電容器的ESR——這也就解釋了為什么低ESR的電容器會是不錯之選。

同時，在輸入方面，電容器的選擇也很重要，設(shè)計人員不應(yīng)予以忽視。電容器是電源轉(zhuǎn)換器的重要組成部分，選擇具有高能量的電容器，如基美電子(KEMET)的KO-CAP聚合物電容器，或低ESR的MLCC器件，是很好的做法。將這兩種類型組合在一起，可以降低紋波電壓并最大限度地減少元器件數(shù)量。

選擇輸入電容時，還應(yīng)記住輸出電流會直接影響輸入紋波電壓。對瞬態(tài)電流的要求進(jìn)行定義可能很艱巨，但它會直接影響輸入電容的選擇，因此是設(shè)計過程中的一個重要步驟。

通常，在解決EMI問題時，盡管紋波電壓較大極有可能引起EMI問題，但電流卻是首要考慮因素。根據(jù)歐姆定律，通過功率電感器的交流電流流入輸出電容器，遇到ESR會產(chǎn)生紋波電壓。因此，選擇具有低ESR的輸出電容可降低輸出紋波電壓。

傳導(dǎo)EMI通常是降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計中最常見的問題。然而，特別是在密集排布的設(shè)計，例如現(xiàn)代消費類設(shè)備中，輻射EMI也是一個問題。雖然良好的布局和布線設(shè)計等技術(shù)可以減少這個問題，但它無法完全避免。

鐵氧體器件，例如基美電子的Flex Suppressor(柔性抑制片)產(chǎn)品，對于創(chuàng)建電路內(nèi)屏障非常有用，其可有效地將敏感電路區(qū)域與可能耦合到不期望輻射噪聲的其他部分相隔離。

高效設(shè)計

解決了潛在的噪聲問題后，就需要考慮降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計的整體效率。更高效的設(shè)計可以實現(xiàn)更長的運行時間;由于發(fā)熱量減少，元器件也可以更緊密地放置在一起，這樣，設(shè)計人員就能夠靈活地縮短走線，從而解決EMI問題。

電源工程師可使用降壓控制器IC和精心設(shè)計的功率電感器來最大限度地降低損耗并提高效率。選擇能夠在高頻下工作并能提供大電流飽和特性和低直流電阻(DCR)的電感器，對于高效降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計至關(guān)重要。

基美電子的METCOM新系列電感器可有效支持更高效的降壓轉(zhuǎn)換器開發(fā)，并適用于包括EMI濾波在內(nèi)的其他電源相關(guān)應(yīng)用。金屬復(fù)合磁芯具有大電流飽和特性，可使電感器在大紋波電流下保持運作。高磁導(dǎo)率可實現(xiàn)低DCR，這樣就可在大電流工作期間顯著減少自發(fā)熱，從而提高系統(tǒng)效率并減少對散熱設(shè)計考慮的需要。

METCOM電感器具有屏蔽結(jié)構(gòu)，因此可將大部分磁通量控制在電感器體內(nèi)，從而實現(xiàn)更高效的工作。這樣就可增強(qiáng)輻射EMI性能，并顯著降低與附近電路區(qū)域的RF耦合。

基美電子新型電感器的取值范圍從0.10mH到47.00mH，DCR值低至1.5mW。它們可以處理高達(dá)35.4A的電流，工作溫度在-55℃至+155℃之間。其封裝面積小至5.3mm×5.00mm，高度低至2.0mm，非常適合現(xiàn)代電源應(yīng)用中的密集電路使用。