是否可以在拥挤的电路板上安装低EMI电源

作者：Bhakti Waghmare ，Diarmuid Carey

有限且不断缩小的电路板空间、紧凑的设计周期和严格的电磁干扰 （EMI）规范（例如 CISPR 32 和 CISPR 25）是难以生产具有高效率和良好热性能的电源的限制因素。由于设计周期常常将电源设计推到接近设计流程的尾声，因此事情变得更加复杂——这是一个令人沮丧的秘诀，因为设计人员试图将复杂的电源挤入更紧凑的位置。性能受到影响以按时完成设计，从而将罐头推向测试和验证。传统上，简单性、性能和解决方案数量是矛盾的：优先考虑一两个所需的功能，而没有第三个——尤其是在设计截止日期迫在眉睫的时候。牺牲被接受为正常；他们不应该。

本文首先概述了复杂电子系统中电源带来的一个重要问题：EMI，通常简称为噪声。电源会产生它，必须加以解决，但来源是什么，典型的缓解策略是什么？本文介绍了降低 EMI 的策略，提出了一种降低 EMI、保持效率以及将电源安装到有限的解决方案体积中的解决方案。

什么是电磁干扰？

电磁干扰是一种干扰系统性能的电磁信号。这种干扰通过电磁感应、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，这是一项关键的设计挑战。上面提到的许多限制以及对电源不断增长的性能要求——提高功率密度、更高的开关频率和更高的电流——只会扩大 EMI 的影响，因此需要解决方案来降低它。在许多行业中，必须满足 EMI 标准，如果不在设计周期的早期考虑，则会显着影响产品上市时间。

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

共模噪声通过寄生电容和高 dV/dt （C × dV/dt） 传导。它遵循从任何信号（正或负）通过寄生电容到 GND 的路径，如图 1 所示。

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

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。这种辐射噪声会影响附近的设备。

EMI 控制技术

解决电源中 EMI 相关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，但获取这些知识可能很耗时，因为它需要使用 EMI 室（并非在每个角落都可用）来量化电源产生的电磁能量，以及它是否充分符合系统。

假设在测试后，电源会出现 EMI 问题，我们将面临通过许多传统校正策略来降低它的过程，包括：

以最小的电路板面积实现高效率。
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同样重要。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限度地减少迭代次数，避免时间延迟和额外的设计成本。问题是：这种经验在公司内部并不常见。

缓冲器：一些设计人员提前计划并为简单的缓冲器电路提供封装（从开关节点到 GND 的简单 RC 滤波器）。这可以抑制开关节点振铃（EMI 的一个因素），但这种技术会导致损耗增加，对效率产生负面影响。

降低边沿速率：降低开关节点振铃也可以通过降低栅极开启的压摆率来实现。不幸的是，就像缓冲器一样，这会对整体系统效率产生负面影响。

扩频频率调制 （SSFM）：此功能在许多 Analog Devices Power by Linear™ 开关稳压器中作为一个选项实施，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进行调制（例如，在编程的 fSW 周围有 ±10% 的变化）。这有助于将峰值噪声能量分布在更宽的频率范围内。

过滤器和屏蔽：过滤器和屏蔽在金钱和空间上总是很昂贵。它们也使生产复杂化。

上述所有突发事件都可以降低噪音，但它们都有缺点。将电源设计中的噪声降至最低通常是最干净的途径，但很难实现。ADI Silent Switcher® 和 Silent Switcher 2 稳压器在稳压器上实现了低噪声，无需额外的滤波、屏蔽或重要的布局迭代。避免昂贵的对策可以加快产品上市时间，并可以节省大量成本。

最小化电流环路

要降低 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。热回路如图 2 所示。在标准降压转换器的一个周期中，交流流过蓝色回路，M1 闭合，M2 断开。在 M1 打开和 M2 关闭的关闭周期中，电流通过绿色回路。产生最高 EMI 的回路既不是蓝色回路也不是绿色回路，这并不完全直观——只有紫色回路传导一个完全开关的交流电，从零切换到 IPEAK，然后又回到零。该环路被称为热环路，因为它具有最高的交流和 EMI 能量。

开关热回路中的高 di/dt 和寄生电感会导致电磁噪声和开关振铃。为了降低 EMI 并提高功能性，需要尽可能降低紫色环路的辐射效应。热回路的辐射发射随其面积而增加，因此如果可能的话，将热回路的 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问题。

图 2. 降压转换器热回路。

使用 Silent Switcher 稳压器实现低噪声

磁对消

将热循环面积减少到零是不可能的，但我们可以将热循环分成两个极性相反的循环。这有效地包含了局部磁场，磁场在距 IC 任何距离处有效地相互抵消。这就是 Silent Switcher 稳压器背后的概念。

图 3. Silent Switcher 稳压器中的磁抵消。

倒装芯片取代引线键合

另一种改善 EMI 的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完成。在封装中，硅被翻转并添加了铜柱。通过缩短从内部 FET 到封装引脚和输入电容器的距离，这进一步减小了热回路的面积。

静音切换器与静音切换器 2

图 6. 典型的 Silent Switcher 应用原理图及其在 PCB 上的外观。

图 6 显示了使用 Silent Switcher 稳压器的典型应用，可通过两个输入电压引脚上的对称输入电容器来识别。布局在此方案中很重要，因为 Silent Switcher 技术要求这些输入电容器尽可能对称地布局，以提供互场抵消优势。否则，Silent Switcher 技术的优势将丧失。当然，问题是如何确保设计和整个生产过程中的布局正确？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，消除了对 PCB 布局的 EMI 性能敏感性，允许尽可能靠近引脚放置。所有的热回路和接地层都是内部的，从而最大限度地降低了 EMI，并且整个解决方案的占位面积更小。

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


图 8. 去盖的 LT8640S Silent Switcher 2 稳压器。

Silent Switcher 2 技术还可以提高热性能。LQFN 倒装芯片封装上的大型多接地裸焊盘有助于将热量从封装中提取到 PCB 中。更高的转换效率也源于消除了高电阻键合线。在测试 EMI 性能时，LT8640S以较大的裕度通过了 CISPR 25 5 类峰值限制。

µModule Silent Switcher 稳压器

利用在开发 Silent Switcher 产品组合时获得的知识和经验，并将其与已经庞大的 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、准确度、效率和出色的 EMI 性能。

图 9 显示了LTM8053集成了两个输入电容，允许消除磁场，以及该电源运行所需的许多其他无源组件。所有这些都是在 6.25 mm × 9 mm × 3.32 mm BGA 封装中实现的，这使客户可以将精力集中在电路板设计的其他领域。

图 9. LTM8053 Silent Switcher 裸露芯片和 EMI 结果。

不再需要 LDO 稳压器——电源案例研究

一个典型的高速 ADC 需要多个电压轨，其中一些电压轨必须非常安静才能实现 ADC 数据表中列出的最高性能。实现高效率、小板面积和低噪声平衡的普遍接受的解决方案是将开关电源与 LDO 后置稳压器相结合，如图 10 所示。开关稳压器能够以高效率实现相对较高的降压比，但相对嘈杂。低噪声 LDO 后置稳压器的效率相对较低，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 后置稳压器的降压比有助于提高效率。这种组合产生清洁电源，使 ADC 以最高性能水平运行。问题在于众多监管机构的复杂布局，

图 10. 为AD9625 ADC供电的典型电源设计。

在图 10 所示的设计中，有几个权衡是显而易见的。在这种情况下，低噪声是一个优先事项，因此效率和电路板空间必须受到影响。或者可能不是。最新一代 Silent Switcher µModule 器件将低噪声开关稳压器设计与 µModule 封装相结合——实现了迄今为止无法实现的简单设计、高效率、紧凑尺寸和低噪声的组合。这些稳压器最大限度地减少了电路板面积，但也实现了可扩展性——一个 µModule 稳压器可以为多个电压轨供电，从而进一步节省面积和时间。图 11 显示了使用LTM8065 Silent Switcher µModule 稳压器为 ADC 供电的替代电源树。

图 11. 使用 Silent Switcher µModule 稳压器为 AD9625 供电的节省空间的解决方案。

这些设计已经相互测试。ADI 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。
使用增加了一个输出 LC 滤波器的 LTM8065 来进一步净化输出。
测量的 SFDR 和 SNRFS 结果表明，LTM8065 可用于直接为 ADC 供电，而不会影响 ADC 的性能。
这种实施的核心好处是显着减少了组件数量，从而提高了效率、更容易生产并减少了电路板面积。

概括

总之，随着我们看到向具有更严格规范的更多系统级设计的转变，在可能的情况下使用模块化电源设计非常重要，尤其是在电源设计专业知识很少的情况下。由于许多细分市场要求系统设计通过最新的 EMI 规范，Silent Switcher 技术的使用被集成到小尺寸中，而 µModule 稳压器的易用性可以大大缩短您的上市时间，同时节省电路板面积。

Silent Switcher µModule 稳压器的优势

节省 PCB 布局设计时间（无需重新旋转电路板来纠正噪声问题）。
无需额外的 EMI 滤波器（节省组件和电路板面积成本）。
减少了对内部电源专家调试电源噪声的需求。
在宽工作频率范围内实现高效率。
在为噪声敏感的设备供电时，无需使用 LDO 后置稳压器。
缩短设计周期。
以最小的电路板面积实现高效率。
良好的热性能。