汽車行業(yè)一直在尋求改進(jìn)，從而使汽車配備更多傳感器和新的電子功能。目標(biāo)是提高功率水平，現(xiàn)在，工程師可能需要依靠降壓拓?fù)鋪磉_(dá)到新的效率標(biāo)準(zhǔn)。

降壓型能夠以更高的效率提供比典型 LDO 更多的功率，但有一個(gè)缺點(diǎn)——它的開關(guān)特性會(huì)產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)，這對(duì)于汽車應(yīng)用來說可能是一個(gè)嚴(yán)重的問題。幸運(yùn)的是，工程師可以使用許多技巧和工具來降低 EMI，包括優(yōu)化電路板布局、利用 IC 功能和添加電路。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器通過輸入紋波、與附近電路的電和磁耦合以及電磁輻射產(chǎn)生 EMI。EMI 會(huì)干擾 AM/FM 無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。顯著的 EMI 會(huì)在無線電和主機(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。

為了防止這種顯著的退化，工程師需要設(shè)計(jì)符合官方標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，例如國際無線電干擾特別委員會(huì) (CISPR) 25 Class 5。因?yàn)樵愀獾牟季挚赡軐?dǎo)致任何設(shè)備無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)設(shè)定的 EMI 限制，因此重要的是在電路板布局期間遵循良好的布局優(yōu)化實(shí)踐。降壓轉(zhuǎn)換器最重要的做法是：

通過快速變化的電壓（高 dv/dt）減少節(jié)點(diǎn)的表面積，以及

通過快速變化的電流（高 di/dt）減小電流回路的面積。

這兩個(gè)基本規(guī)則將規(guī)定工程師放置某些組件的位置，以最大限度地減少 EMI。

不幸的是，即使是最優(yōu)化的 PCB 布局也無法避免所有與 EMI 相關(guān)的問題。此外，由于電路板尺寸和形狀或時(shí)間限制，通常無法像我們希望的那樣優(yōu)化 EMI 布局。例如，一個(gè)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)的位置，而不是使 EMI 最小化的最佳位置。

這些和其他布局限制可能會(huì)導(dǎo)致 EMI 降低系統(tǒng)性能。即使有經(jīng)驗(yàn)和細(xì)心，電路板也可能需要進(jìn)一步優(yōu)化。這些額外的董事會(huì)修訂需要時(shí)間和金錢。那么，除了優(yōu)化布局之外，您還能做些什么來最大程度地降低應(yīng)用的 EMI？

繞過電路板布局限制

如果無法優(yōu)化布局以獲得最佳 EMI，一些 DC/DC 轉(zhuǎn)換器會(huì)在器件級(jí)別提供大量封裝和功能改進(jìn)，以幫助最大限度地降低 EMI 并更容易滿足 CISPR 25 5 類限制。這些特性使電路板設(shè)計(jì)與布局無關(guān)；換句話說，它們可以幫助彌補(bǔ)布局缺陷。

例如，擴(kuò)頻是一種擴(kuò)展諧波能量以降低峰值和平均 EMI 測(cè)量值的最大值的功能。它通過抖動(dòng)開關(guān)頻率（正負(fù)某個(gè)百分比）來擴(kuò)展頻譜密度來做到這一點(diǎn)。例如，傳播 ±2% 會(huì)看到諧波能量在 25次?和更高次諧波上的完全混合或重疊，而不是固定頻率，這將保持諧波尖峰在基頻處間隔開。能量均勻分布在較高的頻率，導(dǎo)致測(cè)量值的包絡(luò)較低，需要較少的濾波和布局優(yōu)化，從而節(jié)省時(shí)間和金錢。

壓擺率控制是另一個(gè)有助于提高 EMI 性能的功能。EMI 的主要來源是開關(guān)環(huán)。開關(guān)振鈴是由于高邊 FET 的快速導(dǎo)通，迅速從輸入電容中拉出電流，導(dǎo)致輸入寄生環(huán)路電感和寄生電容的諧振造成數(shù)百兆赫的振鈴的低端 FET。減慢這個(gè)上升時(shí)間會(huì)減慢這個(gè)即時(shí)電流消耗，從而減少振鈴和 EMI?？梢酝ㄟ^添加與引導(dǎo)電容器串聯(lián)的電阻器（大約幾歐姆）來減慢上升時(shí)間，并且某些設(shè)備具有專用的引導(dǎo)電阻器引腳。這里有一個(gè)權(quán)衡：減慢 FET 的壓擺可以最大限度地減少 EMI，但也會(huì)增加開關(guān)損耗，從而降低效率。

還有有助于抑制 EMI 的封裝級(jí)功能。一個(gè)例子是 TI 的 HotRod 封裝，它消除了內(nèi)部鍵合線，?如圖 1所示。不連續(xù)的電流會(huì)在開關(guān)節(jié)點(diǎn)上引起數(shù)百兆赫茲的振鈴，它會(huì)耦合和輻射，從而導(dǎo)致 EMI。移除輸入電容器不連續(xù)電流的高 di/dt 回路路徑中的接合線可降低回路電感。這反過來又降低了振鈴中的能量，從而降低了 EMI。HotRod?封裝提供LM61460-Q1?和?LM53635-Q1?等器件。

圖 1 此橫截面視圖允許工程師比較標(biāo)準(zhǔn)的引線鍵合四方扁平無引線 (QFN) 封裝和 TI 的 HotRod QFN。資料來源：?德州儀器

其他封裝級(jí)功能包括優(yōu)化的引腳排列。器件可以通過組織引腳布局來提高 EMI 性能，從而使輸入電容器等關(guān)鍵路徑保持盡可能小。設(shè)備通常將 VIN 和 GND（或 PGND）引腳彼此相鄰放置，以便為電容器連接提供最佳位置。

更進(jìn)一步的是對(duì)稱引腳排列。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)獨(dú)立，從而進(jìn)一步降低 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 EMI 優(yōu)化封裝使用集成電容器來進(jìn)一步降低輸入寄生電感。LMQ61460-Q1 在兩側(cè)包括兩個(gè)集成輸入旁路電容器，一個(gè)用于每個(gè) VIN/PGND 對(duì)。這些電容器是橫跨圖 2a所示的右上角和右下角引腳對(duì)（VIN 和 PGND）的黑色矩形?。圖 2b 顯示了器件引腳排列以供參考。

將高頻 EMI 降至最低尤為重要，因?yàn)槠噾?yīng)用中常見的更高輸入電壓和更高輸出電流會(huì)加劇該領(lǐng)域的問題。

圖 2 X 射線圖像顯示了帶有集成電容器的 LMQ61460-Q1 降壓靜音轉(zhuǎn)換器 (a)，您可以將其與引腳分配參考 (b) 進(jìn)行比較。資料來源：德州儀器

雖然 EMI 確實(shí)在汽車應(yīng)用中提出了挑戰(zhàn)，但如果設(shè)計(jì)工程師遇到電路板布局限制，他們也并非無計(jì)可施。有很多方法可以應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，從戰(zhàn)略性器件引腳排列到集成特性，如低電感封裝、轉(zhuǎn)換速率控制、擴(kuò)頻和集成電容器。

這些特性使工程師能夠放寬嚴(yán)格的 EMI 布局優(yōu)化要求，以換取全面的布局，從而為更好的熱性能和/或更小的解決方案尺寸提供更多優(yōu)化空間。這些功能可改進(jìn)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。

使用 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器功能優(yōu)化汽車設(shè)計(jì)中的 EMI – EDN

審核編輯：湯梓紅