本文編譯自EDN，作者 TI 汽車電子市場(chǎng)經(jīng)理Zachary Imm
隨著汽車配備越來(lái)越多的傳感器和功能，汽車中的電子含量不斷增加，功率水平也不斷提高。過(guò)去依賴低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）的工程師現(xiàn)在可能需要使用降壓拓?fù)鋪?lái)滿足系統(tǒng)的高效率要求。
降壓器在更高的效率下可以提供比典型LDO更大的功率，但有一個(gè)明顯缺點(diǎn)——它的開(kāi)關(guān)特性會(huì)產(chǎn)生電磁干擾（EMI），這對(duì)于汽車應(yīng)用而言可能是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。幸運(yùn)的是，工程師可以使用許多技巧和工具來(lái)降低EMI，包括優(yōu)化電路板布局，利用IC功能以及增加電路。
DC / DC轉(zhuǎn)換器會(huì)因輸入紋波，附近電路的電磁耦合以及電磁輻射而產(chǎn)生EMI。EMI會(huì)干擾AM / FM無(wú)線電接收器和其他敏感設(shè)備，例如主機(jī)或高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）傳感器。嚴(yán)重的EMI會(huì)在無(wú)線電和主機(jī)音頻中產(chǎn)生靜態(tài)噪聲或其他類型的噪聲，干擾ADAS傳感器，并降低其他系統(tǒng)的性能。
為了防止這種嚴(yán)重的干擾，工程師需要設(shè)計(jì)符合官方標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，例如CISPR 25 Class5。由于不良的布局會(huì)導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)設(shè)定的EMI限制，因此在電路板布局期間需遵循良好的布局優(yōu)化實(shí)踐。降壓轉(zhuǎn)換器的最重要做法是：
通過(guò)快速變化的電壓（高dv / dt）減小節(jié)點(diǎn)的表面積。
通過(guò)快速變化的電流（高di / dt）減小電流環(huán)路的面積。
這兩個(gè)基本規(guī)則將決定工程師在何處放置某些組件，以最大程度地降低EMI。
不幸的是，即使是最優(yōu)化的PCB布局也無(wú)法防止所有與EMI相關(guān)的問(wèn)題。此外，由于電路板的尺寸，形狀或時(shí)間的限制，通常無(wú)法盡可能地優(yōu)化EMI的布局。例如，非常緊湊的布局可能要求您將功率電感器放置在電路板的底部，或者將輸入電容器放置在距離IC稍遠(yuǎn)的地方。
這些和其他布局限制會(huì)導(dǎo)致EMI，從而降低系統(tǒng)性能。即使有經(jīng)驗(yàn)和異常謹(jǐn)慎，板卡也可能需要進(jìn)一步優(yōu)化。這些額外的板卡修訂需要時(shí)間和金錢。那么，除了優(yōu)化布局以使應(yīng)用的EMI降至最低之外，您還能做什么？
繞過(guò)電路板布局的限制
如果無(wú)法針對(duì)最佳EMI優(yōu)化布局，則某些DC / DC轉(zhuǎn)換器會(huì)在設(shè)備級(jí)別提供許多封裝和功能改進(jìn)，以幫助最大程度地降低EMI并使其更容易滿足CISPR 25 Class5限制。這些功能使電路板設(shè)計(jì)與布局無(wú)關(guān)。換句話說(shuō)，它們可以幫助彌補(bǔ)布局方面的缺陷。
例如，擴(kuò)頻是一種擴(kuò)展諧波能量以減少峰值和平均EMI測(cè)量值的功能。通過(guò)對(duì)尖峰時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)制處理，使其從一個(gè)窄帶時(shí)鐘變?yōu)橐粋�(gè)具有邊帶的頻譜，將尖峰能量分散到展頻區(qū)域的多個(gè)頻率段，從而達(dá)到降低尖峰能量，抑制EMI的效果。它通過(guò)抖動(dòng)開(kāi)關(guān)頻率來(lái)擴(kuò)展頻譜密度，例如，在±2％的范圍內(nèi)擴(kuò)頻，將看到諧波能量在第25個(gè)和更高的諧波上完全混合或重疊，而不是固定頻率，這將使諧波尖峰保持在基頻上。能量在較高的頻率中均勻分布，從而導(dǎo)致較低的測(cè)量值包絡(luò)，僅需較少的濾波和較少的布局優(yōu)化，從而節(jié)省了時(shí)間和金錢。
擺率控制是有助于改善EMI性能的另一個(gè)功能，EMI的主要來(lái)源是開(kāi)關(guān)環(huán)。開(kāi)關(guān)環(huán)是由高邊FET的快速導(dǎo)通引起的，它會(huì)快速?gòu)妮斎腚娙萜髦欣鲭娏鳎斎爰纳芈冯姼泻偷瓦匜ET寄生電容的共振，會(huì)產(chǎn)生的數(shù)百兆赫的振鈴噪音。通過(guò)減慢上升時(shí)間會(huì)減慢電流消耗，從而減少振鈴和EMI。通過(guò)增加一個(gè)與啟動(dòng)電容器串聯(lián)的電阻（幾歐姆的數(shù)量級(jí)）可以減慢上升時(shí)間，并且某些器件具有專用的啟動(dòng)電阻器引腳。這里需要權(quán)衡：放慢FET的頻率可使EMI最小化，但也會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，從而降低效率。
此外，還有一些有助于抑制EMI的封裝技術(shù)。TI的HotRod封裝就是一個(gè)例子，該封裝消除了內(nèi)部鍵合線，如圖1所示。不連續(xù)的電流會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上數(shù)百兆赫茲的振鈴，該振鈴會(huì)耦合并輻射，從而引起EMI。去除輸入電容器不連續(xù)電流的高di / dt環(huán)路路徑中的鍵合線可降低環(huán)路電感。從而減少了振鈴，降低了EMI。HotRod系列產(chǎn)品包括了LM61460-Q1和LM53635-Q1等器件。
圖1標(biāo)準(zhǔn)QFN和TI的HotRod QFN的區(qū)別。資料來(lái)源：德州儀器
其他封裝級(jí)功能包括優(yōu)化的引腳排列。器件可以通過(guò)整理引腳位置來(lái)提高EMI性能，從而使關(guān)鍵路徑（例如輸入電容器）保持盡可能小。器件通常將VIN和GND（或PGND）引腳彼此相鄰放置，以便為電容器的連接提供最佳位置。
更進(jìn)一步，采用對(duì)稱的引腳排列。將VIN / PGND對(duì)稱地放置在封裝的任一側(cè)，可使輸入環(huán)路磁場(chǎng)自成一體，從而進(jìn)一步降低了EMI。許多DC / DC降壓轉(zhuǎn)換器，例如LMR33630，LMR36015，LM61460和LMQ61460-Q1具有對(duì)稱的VIN / PGND引腳對(duì)（圖2b ）。
集成輸入電容器
下一代采用EMI優(yōu)化封裝的產(chǎn)品采用集成電容器來(lái)進(jìn)一步減小輸入寄生電感。LMQ61460-Q1的每一側(cè)均包含兩個(gè)集成輸入旁路電容器，每個(gè)VIN / PGND對(duì)均有一個(gè)。這些電容器是橫跨在圖2a所示的右上和右下引腳對(duì)（VIN和PGND）上的深色矩形。圖2b顯示了該器件的引腳分配，以供參考。
最小化高頻EMI尤為重要，因?yàn)槠噾?yīng)用中常見(jiàn)的更高的輸入電壓和更高的輸出電流會(huì)加劇該領(lǐng)域的問(wèn)題。
圖2 利用X射線，顯示了帶有集成電容器（a）的LMQ61460-Q1降壓型低噪聲轉(zhuǎn)換器（可將其與引腳參考（b））。資料來(lái)源：德州儀器
的確，EMI在汽車應(yīng)用中提出了挑戰(zhàn)，但設(shè)計(jì)工程師如果遇到電路板布局約束，也并非沒(méi)有選擇。從戰(zhàn)略性器件引腳排列到集成特性（例如低電感封裝，擺率控制，擴(kuò)展頻譜和集成電容器），有許多方法可以解決這一難題。
這些功能使工程師可以放寬對(duì)EMI布局的嚴(yán)格優(yōu)化，以換取更全面的布局設(shè)計(jì)，從而為優(yōu)化性能留出更多空間，以獲得更好的熱性能和/或更小的解決方案尺寸。這些功能可改善您的設(shè)計(jì)，以滿懷信心地滿足標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)設(shè)定的EMI限制。
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