首页»汽车»DC / DC转换器：设计与EMI

DC / DC转换器：设计与EMI

文章作者:Zachary Imm

DC/DC变换器具有比LDO稳压器高得多的电磁干扰，因此在设计时考虑电磁干扰是很重要的。

每年，汽车制造商都在汽车上安装越来越多的传感器和功能，增加了汽车中的电子设备，提高了汽车的动力需求。随着功率水平的提高，曾经依赖于低压线性稳压器(LDOs)的工程师现在可能需要使用降压拓扑来满足目标效率。

与典型的LDO相比，降压开关可以提供更大的功率，而且效率更高，但也有一个缺点——它的开关特性会产生电磁干扰(EMI)，这对汽车应用来说是个严重的问题。幸运的是，工程师可以使用许多技巧和工具来降低电磁干扰，包括优化电路板布局，利用IC特性，添加电路。

DC/DC转换器从输入纹波、电和磁耦合到附近的电路和电磁辐射产生EMI。电磁干扰会干扰AM/FM收音机接收器和其他敏感设备，如头部单元或高级驾驶辅助系统(ADAS)传感器。显著的电磁干扰会在无线电和磁头单元音频中产生静态噪声或其他类型的噪声，干扰ADAS传感器，并降低其他系统的性能。

为了防止这种严重的退化，工程师需要设计符合官方标准的系统，如Comité International Spécial des摄扰Radioélectriques (CISPR) 25 Class 5。因为糟糕的布局可能导致任何设备无法达到标准机构设定的电磁干扰限制，所以在电路板布局期间遵循良好的布局优化实践是很重要的。降压转换器最重要的实践是:

减少快速变化电压(高dv/dt)的节点表面积，并
减少快速变化电流(高di/dt)的电流环面积。

这两个基本规则将决定工程师将某些部件放置在何处，以最小化电磁干扰。

不幸的是，即使是最优化的PCB布局也不能防止所有与emi相关的问题。此外，由于电路板尺寸和形状或时间限制，通常不可能尽可能地优化EMI布局。例如，一个非常紧凑的布局可能要求您将电源电感放置在电路板的底部，或者将输入电容放置在离IC稍远一点的位置，以最小化EMI。

这些和其他布局限制会导致降低系统性能的电磁干扰。即使有经验和细心，董事会也可能需要进一步优化。这些额外的董事会修订需要时间和金钱。那么除了优化布局之外，还能做什么来最小化应用程序的EMI呢?

绕过电路板布局限制

如果不可能优化布局以获得最佳EMI，一些DC/DC转换器在设备级别提供一系列的封装和功能改进，以帮助最小化EMI，并使其更容易满足CISPR 25 Class 5的限制。这些功能使棋盘设计更加与布局无关;换句话说，它们可以帮助弥补布局的不足。

例如，扩频是一种特性，传播谐波能量，以减少峰值和平均电磁干扰测量的最大值。它通过抖动开关频率——加或减一些百分比——来分散光谱密度。例如，扩展±2%，就会看到25上谐波能量的完全混合或重叠^th和高次谐波，而不是固定频率，这将保持谐波尖峰在基频间隔。能量均匀地分布在较高的频率中，导致测量值的包络线较低，需要较少的滤波和较少的布局优化，从而节省时间和金钱。

回转速率控制是帮助改善电磁干扰性能的另一个特性。电磁干扰的一个主要来源是开关环。开关环是由高端FET的快速接通引起的，它快速地从输入电容中拉出电流，导致输入寄生环电感和低端FET的寄生电容谐振，形成一个几百兆赫的环。减缓上升时间会减缓瞬时电流，从而减少振铃和电磁干扰。可以通过添加一个电阻与引导电容串联(在几个欧姆的量级上)来减缓上升时间，一些设备有一个专用的引导电阻引脚。这里有一个权衡:减缓场效应管的旋转使EMI最小化，但也增加了开关损耗，从而降低效率。

还有一些软件包级的特性可以帮助抑制EMI。一个例子是TI的HotRod封装，它消除了内部键合线，如图所示图1。断续电流在开关节点上以数百兆赫的频率产生振铃，耦合并辐射，造成EMI。在输入电容的断流电流的高di/dt回路路径中去除键合线会降低回路电感。这反过来又降低了振铃中的能量，从而降低了电磁干扰。如LM61460-Q1和LM53635-Q1可在HotRod包。

图1这种横截面视图允许工程师比较标准的线键扁平无铅（QFN）包装和TI的Hotrod QFN。来源：德州仪器公司