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1、什么是EMI？

電磁干擾（EMI）是會(huì)影響系統(tǒng)性能的電磁信號(hào)。這種干擾通過(guò)電磁感應(yīng)、靜電耦合或傳導(dǎo)的方式對(duì)電路造成影響。對(duì)于汽車、醫(yī)療設(shè)備以及測(cè)試與測(cè)量設(shè)備的制造商來(lái)說(shuō)，EMI是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。由于功率密度的增加、開關(guān)頻率的提升以及電流的增大，電源性能要求不斷提高，EMI問(wèn)題也愈加凸顯，因此急需有效的解決方案來(lái)減輕其影響。許多行業(yè)對(duì)EMI有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求，如果在設(shè)計(jì)初期未加以重視，可能會(huì)嚴(yán)重延遲產(chǎn)品的上市時(shí)間。

 

2、EMI耦合類型

EMI是當(dāng)電子系統(tǒng)中的干擾源與接收器（即系統(tǒng)內(nèi)的某些元件）發(fā)生耦合時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題。根據(jù)耦合方式的不同，EMI可以分為兩類：傳導(dǎo)型和輻射型。

傳導(dǎo)EMI（低頻，450 kHz至30 MHz）

傳導(dǎo)EMI是通過(guò)寄生阻抗以及電源和接地連接，以傳導(dǎo)方式耦合到元件中的。噪聲通過(guò)傳導(dǎo)路徑傳輸?shù)搅硪粋€(gè)器件或電路。傳導(dǎo)EMI可以進(jìn)一步分為共模噪聲和差模噪聲。

共模噪聲是通過(guò)寄生電容和高dV/dt（C × dV/dt）進(jìn)行傳導(dǎo)的。它沿著任意信號(hào)（正或負(fù)）到地（GND）的路徑，通過(guò)寄生電容進(jìn)行傳輸，如圖1所示。

DifferenTIal-mode noise is conducted via parasiTIc inductance （magneTIc coupling） and a high di/dt （L × di/dt）。

差模噪聲通過(guò)寄生電感（磁耦合）和高di/dt （L × di/dt）進(jìn)行傳導(dǎo)。

圖1.差模和共模噪聲。

 

輻射EMI（高頻，30 MHz 至1 GHz）

 

輻射EMI是通過(guò)磁場(chǎng)能量以無(wú)線方式傳播到其他器件的干擾信號(hào)。在開關(guān)電源中，這種噪聲是由于高di/dt與寄生電感之間的耦合引起的。輻射噪聲會(huì)影響到附近的器件，可能導(dǎo)致它們的性能下降。

 

3、EMI控制技術(shù)

首先，要確認(rèn)EMI確實(shí)是一個(gè)問(wèn)題。雖然這看似簡(jiǎn)單，但要準(zhǔn)確判斷問(wèn)題的存在可能非常耗時(shí)，因?yàn)樾枰柚鶨MI測(cè)試室（并非隨處可得）來(lái)量化電源產(chǎn)生的電磁能量，并判斷是否符合系統(tǒng)的EMI標(biāo)準(zhǔn)。

如果測(cè)試結(jié)果表明電源確實(shí)存在EMI問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員將需要采取多種傳統(tǒng)的校正策略來(lái)減少EMI影響，其中包括：

提高效率：在盡可能小的電路板空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率。

優(yōu)化散熱：良好的熱性能對(duì)于減少EMI至關(guān)重要。

布局優(yōu)化：電源布局與組件選擇同樣重要。布局優(yōu)化通常是一個(gè)迭代過(guò)程，經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員可以減少迭代次數(shù)，從而避免延誤和額外的設(shè)計(jì)成本。但問(wèn)題在于，內(nèi)部人員可能缺乏這種經(jīng)驗(yàn)。

使用緩沖器：一些設(shè)計(jì)人員會(huì)提前規(guī)劃簡(jiǎn)單的緩沖器電路（例如從開關(guān)節(jié)點(diǎn)到GND的RC濾波器），以抑制開關(guān)節(jié)點(diǎn)的振鈴現(xiàn)象，這是產(chǎn)生EMI的主要原因之一。然而，這種技術(shù)會(huì)增加損耗，對(duì)效率產(chǎn)生負(fù)面影響。

降低邊沿速率：通過(guò)降低柵極導(dǎo)通的壓擺率來(lái)減少開關(guān)節(jié)點(diǎn)的振鈴，同樣會(huì)對(duì)效率產(chǎn)生不利影響。

展頻技術(shù)（SSFM）：許多ADI公司的Power by Linear™開關(guān)穩(wěn)壓器都提供展頻功能，這有助于產(chǎn)品通過(guò)嚴(yán)格的EMI測(cè)試。展頻技術(shù)通過(guò)在一定范圍內(nèi)調(diào)制開關(guān)頻率，將峰值噪聲分布到更寬的頻率范圍內(nèi)，從而降低EMI。

濾波與屏蔽：雖然濾波和屏蔽可以減少EMI，但它們往往成本高昂，占用空間，也增加了生產(chǎn)復(fù)雜性。

盡管這些措施都能減少噪聲，但也各有不足。最大限度地降低電源設(shè)計(jì)中的噪聲通常是解決問(wèn)題的關(guān)鍵，但這一過(guò)程往往困難重重。為此，ADI公司的Silent Switcher®和Silent Switcher 2穩(wěn)壓器提供了一種更為簡(jiǎn)潔的方案，它們?cè)诜€(wěn)壓器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了低噪聲，從而無(wú)需額外的濾波、屏蔽或大量的布局迭代。這樣不僅加快了產(chǎn)品的上市時(shí)間，還顯著降低了成本。

 

最大限度地減小電流回路

 

為了有效減少EMI，首先要識(shí)別電源電路中的“熱回路”（高di/dt回路）并減小其影響。熱回路在圖2中有所展示。在標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器的工作周期內(nèi)，當(dāng)M1關(guān)閉、M2打開時(shí)，交流電流沿著藍(lán)色回路流動(dòng)；當(dāng)M1打開、M2關(guān)閉時(shí)，電流則沿著綠色回路流動(dòng)。然而，產(chǎn)生最高EMI的回路并不直觀，它既不是藍(lán)色回路，也不是綠色回路，而是傳導(dǎo)全開關(guān)交流電流（從零到峰值再回到零）的紫色回路。由于這個(gè)回路中交流和EMI能量最大，稱之為“熱回路”。

 

熱回路中的高di/dt和寄生電感是導(dǎo)致電磁噪聲和開關(guān)振鈴的主要原因。為了減少EMI并提高電路性能，必須盡量降低紫色回路的輻射效應(yīng)。熱回路的電磁輻射干擾會(huì)隨著其面積的增加而增加，因此，理想的解決方案是將熱回路的PCB面積盡可能縮小，甚至理想情況下減小到零，并使用零阻抗的理想電容來(lái)消除問(wèn)題。這樣可以顯著降低電磁噪聲，提升系統(tǒng)的整體性能。

 

圖2.降壓轉(zhuǎn)換器的熱回路。

 

使用Silent Switcher穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)低噪聲磁場(chǎng)抵消

 

雖然完全消除熱回路區(qū)域是不可能的，但我們可以將其分成兩個(gè)極性相反的回路。這種設(shè)計(jì)能夠在IC周圍形成局部磁場(chǎng)，并有效抵消彼此的干擾。這正是Silent Switcher穩(wěn)壓器的核心理念，通過(guò)這種方式大幅降低噪聲干擾，提升電源的整體性能。

 

圖3.Silent Switcher穩(wěn)壓器中的磁場(chǎng)抵消。

 

倒裝芯片取代鍵合線

 

另一種改善EMI的方法是縮短熱回路中的導(dǎo)線長(zhǎng)度。這可以通過(guò)放棄傳統(tǒng)的鍵合線連接芯片與封裝引腳的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用倒裝芯片技術(shù)，將芯片直接安裝在封裝上，并添加銅柱連接。這樣可以大幅縮短內(nèi)部FET與封裝引腳及輸入電容之間的距離，從而進(jìn)一步減小熱回路的面積，顯著降低EMI的影響。

圖4.LT8610鍵合線的拆解示意圖。

 

圖5.帶有銅柱的倒裝芯片。

 

Silent Switcher與Silent Switcher 2

 

圖6.典型的Silent Switcher應(yīng)用原理圖及其在PCB上的外觀。

 

圖6展示了一個(gè)典型的Silent Switcher穩(wěn)壓器應(yīng)用示例，可通過(guò)兩個(gè)輸入電壓引腳上對(duì)稱布置的輸入電容來(lái)識(shí)別。在這種設(shè)計(jì)中，布局至關(guān)重要，因?yàn)镾ilent Switcher技術(shù)依賴于輸入電容的對(duì)稱布置，以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的有效抵消。如果布局不對(duì)稱，Silent Switcher技術(shù)的優(yōu)勢(shì)將無(wú)法充分發(fā)揮。那么，如何確保設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中都能保持正確的布局呢？答案就是使用Silent Switcher 2穩(wěn)壓器，它能夠在這一方面提供更好的保障。

 

Silent Switcher 2

 

Silent Switcher 2穩(wěn)壓器通過(guò)進(jìn)一步減少EMI實(shí)現(xiàn)了更高的性能。它將電容（包括VIN電容、INTVCC電容和升壓電容）集成到LQFN封裝內(nèi)，從而消除了PCB布局對(duì)EMI性能的敏感性。這些電容被設(shè)計(jì)為盡可能靠近引腳的位置。所有的熱回路和接地層都在封裝內(nèi)部，這不僅將EMI降至最低，還大幅減少了解決方案的總占板面積。

 

圖7.Silent Switcher應(yīng)用與Silent Switcher 2應(yīng)用框圖。

 

圖8.去封的LT8640S Silent Switcher 2穩(wěn)壓器。

 

Silent Switcher 2技術(shù)還提升了熱性能。LQFN倒裝芯片封裝上的多個(gè)大面積接地裸露焊盤有效地通過(guò)PCB散熱，進(jìn)一步改善了熱管理。同時(shí)，去除高電阻的鍵合線也提高了轉(zhuǎn)換效率。在EMI性能測(cè)試中，LT8640S不僅符合CISPR 25 Class 5峰值限制要求，還有較大的裕量。

 

µModule Silent Switcher穩(wěn)壓器

 

借助Silent Switcher產(chǎn)品組合的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合現(xiàn)有的廣泛µModule®產(chǎn)品系列，我們提供的電源解決方案不僅易于設(shè)計(jì)，還能滿足關(guān)鍵性能指標(biāo)，如熱性能、可靠性、精度、效率和優(yōu)良的EMI性能。

 

例如，圖9中的LTM8053穩(wěn)壓器集成了兩個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)磁場(chǎng)抵消的輸入電容以及其他所需的無(wú)源組件。這些組件都封裝在一個(gè)6.25 mm × 9 mm × 3.32 mm的BGA封裝中，使客戶能夠?qū)⒏嗑性陔娐钒宓钠渌O(shè)計(jì)方面。

 

圖9.LTM8053 Silent Switcher裸露芯片及EMI結(jié)果。

 

無(wú)需LDO穩(wěn)壓器——電源案例研究

 

典型的高速ADC需要多種電壓軌，其中一些電壓軌的噪聲必須極低，以實(shí)現(xiàn)ADC在數(shù)據(jù)表中的最佳性能。為了在高效率、小尺寸板空間和低噪聲之間找到平衡，常見的解決方案是將開關(guān)電源與LDO后置穩(wěn)壓器結(jié)合使用，如圖10所示。開關(guān)穩(wěn)壓器能夠以高效率提供更大的降壓比，但噪聲相對(duì)較高。LDO后置穩(wěn)壓器雖然效率較低，但能有效抑制開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的大部分傳導(dǎo)噪聲，從而提供更清潔的電源，使ADC能夠達(dá)到最高性能。盡可能減小LDO后置穩(wěn)壓器的降壓比有助于提升效率。然而，多個(gè)穩(wěn)壓器會(huì)使布局變得更復(fù)雜，并且LDO后置穩(wěn)壓器在較高負(fù)載下可能會(huì)導(dǎo)致散熱問(wèn)題。

 

圖10.為 AD9625 ADC供電的典型電源設(shè)計(jì)。

 

圖10中的設(shè)計(jì)顯然需要在低噪聲、效率和電路板空間之間做出權(quán)衡。在這種情況下，低噪聲是優(yōu)先考慮的因素，因此效率和電路板空間可能需要有所妥協(xié)。但其實(shí)不必如此。

 

最新一代的Silent Switcher µModule器件將低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)與µModule封裝相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、高效率、小尺寸和低噪聲的完美平衡。這些穩(wěn)壓器不僅最大限度地減少了電路板占用空間，還具備可擴(kuò)展性，能夠通過(guò)一個(gè)µModule穩(wěn)壓器為多個(gè)電壓軌供電，進(jìn)一步節(jié)省空間和設(shè)計(jì)時(shí)間。圖11展示了使用LTM8065 Silent Switcher µModule穩(wěn)壓器為ADC供電的替代電源方案。

 

圖11.使用Silent Switcher µModule穩(wěn)壓器為AD9625供電，可節(jié)省空間的解決方案。

 

這些設(shè)計(jì)已經(jīng)經(jīng)過(guò)詳細(xì)測(cè)試和比較。ADI公司最近發(fā)布的一篇文章對(duì)使用圖10和圖11中電源設(shè)計(jì)的ADC性能進(jìn)行了評(píng)估。測(cè)試包括以下三種配置：

 

使用開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO穩(wěn)壓器為ADC供電的標(biāo)準(zhǔn)配置。

 

使用LTM8065直接為ADC供電，不進(jìn)行進(jìn)一步的濾波。

 

使用LTM8065和額外的輸出LC濾波器，進(jìn)一步凈化輸出。

 

測(cè)試結(jié)果表明，LTM8065能夠直接為ADC供電，而不會(huì)對(duì)ADC性能產(chǎn)生負(fù)面影響，其SFDR（無(wú)失真動(dòng)態(tài)范圍）和SNRFS（信噪比）結(jié)果均令人滿意。

 

這一實(shí)施方案的核心優(yōu)勢(shì)在于顯著減少了元件數(shù)量，從而提高了效率，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)過(guò)程，并減少了電路板的占用空間。

 

小結(jié)

 

隨著系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)對(duì)規(guī)范要求越來(lái)越嚴(yán)格，模塊化電源設(shè)計(jì)變得尤為重要，特別是對(duì)于電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有限的情況。許多細(xì)分市場(chǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須符合最新的EMI規(guī)范，Silent Switcher技術(shù)在小尺寸設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，再加上µModule穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)單易用特性，可以顯著縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，并節(jié)省電路板空間。

 

Silent Switcher µModule穩(wěn)壓器的優(yōu)勢(shì)包括：

 

節(jié)省PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)間：無(wú)需重新設(shè)計(jì)電路板即可解決噪聲問(wèn)題。

 

無(wú)需額外的EMI濾波器：節(jié)省元件和電路板空間成本。

 

降低了電源噪聲調(diào)試的需求：減少對(duì)內(nèi)部電源專家的依賴。

 

提供高效率：在寬工作頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出色。

 

為噪聲敏感型器件供電時(shí)，無(wú)需LDO后置穩(wěn)壓器：簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

 

縮短設(shè)計(jì)周期：加快產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程。

 

在小尺寸電路板上實(shí)現(xiàn)高效率：優(yōu)化空間使用。

 

良好的熱性能：確保穩(wěn)定運(yùn)行。