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  • 各厂商如何从源头解决电源的EMI问题
    各厂商如何从源头解决电源的EMI问题
  • 各厂商如何从源头解决电源的EMI问题
  • 来源:  发布日期: 2021-11-14  浏览次数: 472

    电源的开关交流电流,电流从零切换至峰值,然后再回到零,因此它有最高的交流电流和EMI能量。此外,在电路工作时,开关瞬变通过寄生电阻、电感和电容的耦合作用产生高频谐波。过以上分析,我们了解了EMI产生的原因,那怎么才能降低或预防EMI呢?

    从电源电路设计上看,我们可以通过以下方式来降低EMI,包括:尽量减少PCB上热回路的面积,并降低电容和电感自身及PCB走线引入的寄生阻抗(这种方式对布局和器件参数有要求,而且改善EMI的效果比较有限);通过减慢内部开关驱动器或外部添加缓冲器,降低MOSFET的开关速度(这种方式会增加开关损耗,降低转换器的效率);采用展频(SSFM)技术,使EMI能量被打散分布在电路的整个频域内(但这样会在已知范围内引起系统时钟抖动);也可采用添加滤波器或屏蔽的办法来降低EMI(但这需要更多的外部元件和电路板面积)。

    最好的办法就是不需要办法——电源主电路方案本身充分考虑了EMI问题,在不影响电源性能和增加外部元器件的前提下来有效地减少EMI。这就是ADI的专利技术 -- Silent Switcher相关系列电源方案的设计初衷。

    如何从根源解决EMI问题

    针对部分电磁敏感的设备或系统来说,通常会采用 LDO 而不是开关电源,从而限制 EMI,但是这又会导致效率下降等不利影响。有没有可以显著解决 EMI 问题,并且无需太多额外设计开销,同时又可以采用高效率开关电源的解决方案呢?

    “解决 EMI 相关问题的关键是从源头入手。” Ramadass 说道。

    EMI 给工程师的设计带来了巨大挑战,但电路板布局限制以及额外设计的屏蔽等因素并不意味着工程师没有其他选择,而实际上通过选择具有 EMI 缓解技术的芯片,可以从源头改善 EMI。这也和媒体近期在访谈工程师提到的,他们最常用的降低 EMI 的手段是选择低 EMI 器件,不谋而合。

    一、创新技术Silent Switcher从根本上消除EMI源

    ADI的Silent Switcher技术采用两个对称分布的输入热回路,这两个回路产生磁场方向是相反的,能量相互抵消,从而电气回路对外没有净磁场(如下图)。因此,Silent Switcher技术无需降低MOSFET的开关速度,解决了EMI和效率之间的权衡问题。

    8eae66bca298a0b30ea97655e9e066a6Silent Switcher拓扑(右图)

     

    3c0889683582ad1043fe05995b277657Silent Switcher电磁感应示意图

    此外,Silent Switcher技术采用创新的铜柱倒装封装工艺,这种工艺可以大大降低芯片管脚的寄生阻抗,在降低EMI的同时,可以提升转换器的效率。

    ca98fe17c99e10f835f7aef1868ce85e铜柱倒装封装(右图)与传统封装的对比

    目前,ADI的Silent Switcher技术已经发展到第2代,第1代技术Silent Switcher 1(如LT8614)需要在芯片两侧的VIN 和GND之间分别放置一个输入电容,并且要求两侧电容与对应的VIN和GND管脚围成的环路尽量小且对称,对电路布局布线和电容的一致性有一定要求。

    573090b6aa1b7d8a5d97be0bb6fac315Silent Switcher 1的对电路布局仍有一定要求

    Silent Switcher 第二代产品将两个输入热回路中需要对称放置的电容集成在芯片的内部,降低了Silent Switcher对电源电路布局的敏感性,减少了外部元件,同时可缩小热回路的面积,降低EMI。

    8e50a4edba146626936d1e3c634c9ab9Silent Switcher 2内部集成了热回路电容,设计更简单

    另外,ADI也推出了采用Silent Switcher技术的μModule稳压器微型模块化电源系列,内部集成MOS和功率电感,如LTM4700、LTM8071、LTM8024、LTM8078等,为用户提供了简单可靠、高性能和高电源密度的解决方案。

    传统电源方案与Silent Switcher技术的EMC比较

    在不增加开关导通时间的前提下,大大降低开关节点信号上升沿的振铃,从而降低EMI. 下下图是采用Silent Switcher技术的LT8614和传统的降压转换器LT8610在同等条件下的波形对比。采用Silent Switcher 2技术可以做到更快的导通时间和更低的振铃。

    下图是LT8610和LT8614在相同条件下进行EMC测试的对比,可以看到,相对EMC表现不错的LT8610,LT8614的EMI更低,多出大约20dB的裕量。

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    LT8614与LT8610 EMC测试结果对比

    采用Silent Switcher 2的转换器EMI水平更低,在2层PCB上也可以通过严格的CISPR 25 Class 5测试。可选的扩展频谱调制功能,可以进一步降低EMI。例如LT8640S同步降压稳压器就采用了第二代超低噪声开关稳压器架构,最大程度地降低了EMI辐射,其中包含集成旁路电容以优化内部所有快速电流环,并通过降低布局敏感性轻松实现宣传的EMI性能。因此LT8640S非常适合噪声敏感应用和环境。

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    LT8640S应用电路外围电路设计非常简单

    二、集成有源滤波器和双随机扩频技术

    TI 提供多种功能和技术来降低所有相关频段的 EMI,其创新的技术优势主要表现在:

    • 改进的滤波器尺寸和成本:先进的扩频和有源 EMI 抑制技术可降低产生的 EMI 的影响;
    • 减少设计时间并降低设计复杂性:覆晶封装、电容器集成和先进的栅极驱动器技术可从根本上降低源极产生的噪声。

    TI 在 2021 年新推出的 LM25149-Q1,是 TI 首款集成有源滤波器的芯片。相比外置有源滤波器,整体面积可缩小 50% 以上。与标准无源滤波器相比,有源滤波器可以提供更高水平的 EMI 衰减和更小尺寸的 π 滤波器。有源滤波器具有增益高、带宽宽、输出阻抗低、可以产生和吸收电流,检测直流总线上的任何扰动,并注入与噪声源相反的信号从而抵消干扰。LM25149-Q1 可在负载电流 >40% 的时候自动启动有源电磁干扰滤波器,负载电流 <30% 时候则会自动禁用有源滤波器。

    技术干货 | 解决 EMI 问题,需从源头入手

    另外,LM25149-Q1 使用了双随机扩频技术,将低频的三角调制与高频的伪随机调制相结合,分别提高了低频段和高频段的 EMI 性能。该产品除了在 EMI 上具有显著优势之外,在调整率、效率、温升及纹波等性能指标上都有着出色表现。

    除此之外,包括 LMQ61460 集成了旁路电容器,TPS25850-Q1 利用了扩频频率抖动技术,LM5157-Q1 则提供了包括 DRSS、外部时钟同步以及 2.2MHz 开关功能等,UCC12050 集成了专用的变压器等等,TI 针对不同的应用场景,不同的 EMI 现场,提供各类组合,使工程师可以更有针对性的进行 EMI 的改善。

    技术干货 | 解决 EMI 问题,需从源头入手

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