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Can Nonsynchronous DC-to-DC Boost Converters (with a Catch Diode) Still Have Low Emissions? DC-DC轉(zhuǎn)換器是否必須同步才能實(shí)現(xiàn)低輻射？ 作者：Keith Szolusha，ADI 應(yīng)用總監(jiān) Kevin Thai，ADI 應(yīng)用工程師 摘要 本文嘗試展示帶分立式續(xù)流二極管的異步轉(zhuǎn)換器如何還能實(shí)現(xiàn)低輻射。其中將會(huì)介紹不同類型的轉(zhuǎn)換器、布局和封裝，以及為何受控開關(guān)非常有效，還會(huì)詳細(xì)介紹在CISPR 25 5類輻射測(cè)試中，低EMI評(píng)估電路的通過(guò)測(cè)試結(jié)果。 簡(jiǎn)介 同步Silent Switcher轉(zhuǎn)換器已經(jīng)為功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)緊湊且安靜的DC-DC轉(zhuǎn)換設(shè)定了黃金標(biāo)準(zhǔn)。在過(guò)去5年多的時(shí)間里，我們了解到了大量這些低EMI同步降壓和升壓轉(zhuǎn)換器。這些DC-DC轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化了在高功率、噪聲敏感環(huán)境中的系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)，例如冷啟動(dòng)預(yù)升壓、驅(qū)動(dòng)大電流LED串和高壓功率放大器聲音系統(tǒng)。與基于控制器的設(shè)計(jì)相比，單芯片（集成電源開關(guān)）升壓穩(wěn)壓器提供了一種更緊湊的高效解決方案，通常用于5 V、12 V和24 V源電壓。 集成式同步開關(guān)及其在硅芯片1中的獨(dú)特布局是Silent Switcher轉(zhuǎn)換器“秘訣”的一部分。板載（集成式）開關(guān)可以形成非常微小的熱回路，幫助盡可能降低輻射。但是，這可能導(dǎo)致成本增加，而且并非所有應(yīng)用都需要同步開關(guān)。如果只是將單個(gè)電源開關(guān)集成到硅芯片中，并且可以依賴外部低成本分立式續(xù)流二極管來(lái)作為第二開關(guān)，那么開關(guān)轉(zhuǎn)換器的成本會(huì)降低。這種做法在較低成本轉(zhuǎn)換器中很常見，但是，如果低輻射非常重要，是否仍然可以如此？ 帶分立式續(xù)流二極管的異步轉(zhuǎn)換器仍然可以實(shí)現(xiàn)低輻射。如果在設(shè)計(jì)時(shí)特別注意熱回路布局和dV/dt開關(guān)邊緣速率，那么有可能使用異步轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)低EMI開關(guān)應(yīng)用。在展頻(SSFM)中集成降低輻射的額外措施是必要的。單芯片開關(guān)穩(wěn)壓器，例如LT3950 60 V、1.5 A異步LED驅(qū)動(dòng)器和LT8334 40 V、5 A異步升壓轉(zhuǎn)換器，每個(gè)都在器件中集成了單個(gè)低端電源開關(guān)，但它們依賴外部續(xù)流二極管，同時(shí)仍然可以實(shí)現(xiàn)低輻射！它的工作原理是什么呢？ 
圖1.(A) 異步單芯片升壓轉(zhuǎn)換器具有單個(gè)熱回路，其中包含一個(gè)外部續(xù)流二極管。 (b) Silent Switcher轉(zhuǎn)換器具有兩個(gè)（相反）熱回路和全集成開關(guān)。 續(xù)流二極管與死區(qū)時(shí)間的關(guān)系 在單芯片轉(zhuǎn)換器中集成一個(gè)而不是兩個(gè)電源開關(guān)，可以使芯片尺寸減小30%到40%。芯片尺寸減小可以直接節(jié)省硅芯片成本，當(dāng)硅芯片能夠集成到更小封裝中時(shí)，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)二次成本降低。雖然有些PCB空間仍然需要專用于外部分立式續(xù)流二極管，但這些二極管數(shù)量多、可靠且價(jià)格便宜。在升壓轉(zhuǎn)換器中，具有低VF的肖特基二極管在高輸出電壓和低占空比下具有高效率，可以說(shuō)性能優(yōu)于價(jià)格昂貴的高壓功率FET。 原因之一可能是因?yàn)樗绤^(qū)時(shí)間。在典型的同步轉(zhuǎn)換器中，在預(yù)設(shè)的死區(qū)時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生電源開關(guān)體二極管導(dǎo)通，以防止?jié)撛诘膿舸﹩?wèn)題。如果同步開關(guān)在主開關(guān)能夠完全關(guān)閉之前打開，則會(huì)發(fā)生擊穿，導(dǎo)致輸入或輸出（降壓或升壓）直接對(duì)地短路。在高開關(guān)頻率及最小和最大占空比限值下，死區(qū)時(shí)間控制會(huì)成為開關(guān)設(shè)計(jì)中的一個(gè)限制因素。使用具有低正向電壓的低成本續(xù)流二極管之后，無(wú)需再在開關(guān)中提供死區(qū)時(shí)間邏輯——非常簡(jiǎn)單。在大多數(shù)情況下，它們也優(yōu)于功率開關(guān)（在死區(qū)時(shí)間期間導(dǎo)電）內(nèi)部固有的體二極管的正電壓壓降。 簡(jiǎn)單布局和封裝 首先，我們可以從簡(jiǎn)單的單芯片升壓轉(zhuǎn)換器著手來(lái)展示基本的布局。圖2中的LT3950 60 V、1.5 A LED驅(qū)動(dòng)器具有簡(jiǎn)單的PCB熱回路。這個(gè)熱回路（在圖3中突出顯示）只包含小型陶瓷輸出電容和尺寸相似的分立式續(xù)流二極管PMEG6010CEH。這些組件與LT3950 16引腳MSE封裝，以及散熱盤的開關(guān)引腳和GND面緊密貼合。如此足以實(shí)現(xiàn)低輻射嗎？這當(dāng)然只是公式的一部分。線焊16引腳MSE封裝和緊密的熱回路結(jié)合SSFM和受控良好的開關(guān)行為（開關(guān)電源過(guò)渡不會(huì)因?yàn)榉浅８叩乃俣群图纳呔�電感而振鈴），可以實(shí)現(xiàn)低輻射。
圖2.LT3950 (DC2788A)異步熱回路包括D1續(xù)流二極管。 盡管如此，續(xù)流二極管和輸出電容仍與LT3950 16引腳MSE封裝緊密貼合。 突出顯示的異步開關(guān)節(jié)點(diǎn)小且緊湊，但并非不可能。開關(guān)節(jié)點(diǎn)的布局可能是實(shí)現(xiàn)低輻射結(jié)果的關(guān)鍵。
圖3.LT3950 LED驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)異步單芯片1.5 A、60 V升壓轉(zhuǎn)換器。 升壓轉(zhuǎn)換器熱回路（黃色突出顯示）包含一個(gè)分立式續(xù)流二極管，不會(huì)減弱高頻率輻射。 接下來(lái)，可以使用異步轉(zhuǎn)換器的單個(gè)開關(guān)來(lái)形成SEPIC拓?fù)洌ㄉ龎汉徒祲海�，以擴(kuò)展其實(shí)用性，不止局限于預(yù)期的升壓用途。因?yàn)槭菃伍_關(guān)，所以很容易斷開升壓轉(zhuǎn)換器的熱回路，并在其中增加SEPIC耦合電容，如圖4和圖5所示。大多數(shù)同步升壓轉(zhuǎn)換器的頂部和底部開關(guān)都永久連接至單個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)，所以無(wú)法轉(zhuǎn)換成SEPIC。如果能多加關(guān)注由耦合電容、續(xù)流二極管和輸出電容形成的回路，那么SEPIC熱回路可以保持較小。
圖4.LT8334 40 V、5 A異步單片式升壓IC被用于SEPIC應(yīng)用中。 SEPIC轉(zhuǎn)化器熱回路（黃色突出顯示）包含一個(gè)分立式續(xù)流二極管和一個(gè)耦合電容，不會(huì)減弱輻射。
圖5.LT8334單芯片40 V、5 A異步開關(guān)，集成到微型4 mm × 3 mm 12引腳散熱增強(qiáng)型DFN封裝中。 LT8334 SEPIC (EVAL-LT8334-AZ)的熱回路布局中包含這個(gè)微型DFN、 一個(gè)陶瓷耦合電容、一個(gè)陶瓷輸出電容和一個(gè)小型續(xù)流二極管。 LT8334異步升壓轉(zhuǎn)換器中包含一個(gè)集成式5 A、40 V開關(guān)。這個(gè)單芯片升壓轉(zhuǎn)換器IC適合用于構(gòu)建12 V輸出SEPIC轉(zhuǎn)換器。圖4顯示標(biāo)準(zhǔn)型12 V、2 A+ SEPIC轉(zhuǎn)換器，其中包含耦合電容C1和耦合電感的兩個(gè)電感線圈。由于微型PMEG4030ER續(xù)流二極管D1不是直接附加在開關(guān)節(jié)點(diǎn)上，所以可以輕松將4.7 μF 0805陶瓷型隔直耦合電容置于二極管和開關(guān)節(jié)點(diǎn)之間。在EVAL-LT8334-AZ SEPIC評(píng)估板上，熱回路布局保持較小。開關(guān)節(jié)點(diǎn)的銅面積盡可能保持較小，并且盡可能接近開關(guān)引腳，有助于盡可能降低電磁輻射騷擾。請(qǐng)注意，整個(gè)熱回路都布局在1層，且開關(guān)節(jié)點(diǎn)，或者耦合電容另一側(cè)的耦合開關(guān)節(jié)點(diǎn)上都沒(méi)有通孔。這些開關(guān)節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量保持較小，且盡量接近，以實(shí)現(xiàn)出色結(jié)果。LT8334的12引腳DFN封裝有助于熱回路和輻射盡可能保持較小。 受控開關(guān)非常有效 單芯片（包括開關(guān)）開關(guān)轉(zhuǎn)換器在與SSFM、2 MHz基波開關(guān)頻率、出色的PCB布局和受控良好的開關(guān)組合使用時(shí)，可以有效幫助降低輻射。如果它們足夠有效，那么可能無(wú)需利用Silent Switcher架構(gòu)在低輻射方面的巨大優(yōu)勢(shì)（Silent Switcher架構(gòu)是超低輻射黃金標(biāo)準(zhǔn)，但如果只是為了通過(guò)輻射標(biāo)準(zhǔn)，并非在所有情況下都需要用到）。在LT3950和LT8334中，SSFM在基波頻率的基礎(chǔ)上向上擴(kuò)展約20%，然后以三角形的模式返回。SSFM是低EMI開關(guān)穩(wěn)壓器共有的一個(gè)特征。SSFM有多種類型，但是每種類型的總體目標(biāo)是分散輻射能量，并將峰值輻射和平均輻射降低到要求的限值以下。2 MHz開關(guān)頻率的一個(gè)目標(biāo)是將基波開關(guān)頻率設(shè)置為高于AM射頻頻段（530 kHz至1.8 MHz）限制，使基波本身及其所有諧波產(chǎn)生的輻射不會(huì)干擾射頻。當(dāng)不需要考慮AM頻段時(shí)，可以放心使用更低的開關(guān)頻率。 內(nèi)部開關(guān)和驅(qū)動(dòng)器不受開關(guān)頻率影響，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎小心，以避免某些不必要的行為，否則可能會(huì)降低開關(guān)轉(zhuǎn)換器的EMI性能。超快的振鈴開關(guān)波形可能會(huì)在100 MHz至400 MHz范圍內(nèi)產(chǎn)生多余的輻射，在電磁輻射騷擾測(cè)量中會(huì)非常明顯。IC中受控良好的開關(guān)不應(yīng)表現(xiàn)得像一個(gè)輻射錘，而應(yīng)像是一個(gè)開關(guān)邊緣被抑制的有效橡皮錘。受控的電源開關(guān)能以稍低于可能值的速度讓電壓和電流升高和降低。關(guān)于單芯片轉(zhuǎn)換器中的這種受控開關(guān)，圖6b中的2 V/ns開關(guān)速率和缺少振鈴就是一個(gè)不錯(cuò)的示例。您可以看到，這個(gè)內(nèi)部開關(guān)非常柔和地開啟，并達(dá)到0 V，后續(xù)也不會(huì)出現(xiàn)刺耳的振鈴。這對(duì)LT3950的輻射結(jié)果做出了很大的貢獻(xiàn)（參考下方的圖9至圖11）。通常，在單芯片開關(guān)穩(wěn)壓器中，開關(guān)速度導(dǎo)致最大功率上升，散熱性能下降。但是，如果能精心設(shè)計(jì)，可以事半功倍。
(a) (b) 圖6.LT3950受控開關(guān)的上升擺率為2 V/ns，下降擺率為2 V/ns， 有助于在LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中保持高效率和低EMI，且?guī)缀醪粫?huì)產(chǎn)生開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴。 帶柵極速率控制的異步升壓控制器 在有些情況下，要進(jìn)行大功率DC-DC轉(zhuǎn)換，需要在IC外部使用控制器和高壓、高電流開關(guān)。在這種情況下，外部開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器仍位于IC內(nèi)部，但整個(gè)開關(guān)熱回路會(huì)移動(dòng)到IC外部。有些創(chuàng)意性的熱回路和布局是有可能實(shí)現(xiàn)的，但因?yàn)榉至⑹?a href="http://m.qingdxww.cn/keyword/MOSFET" target="_blank" class="relatedlink">MOSFET本身的尺寸，熱回路本身一般會(huì)變大。 LT8357大功率（異步）升壓控制器提供24 V、2 A (48 W)，且輻射非常低。它以低開關(guān)頻率為3.5 mm × 3.5 mm MOSFET供電，以實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換。除了緊密的熱回路（圖7）之外，它還通過(guò)上升和下降柵極控制引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)邊緣速率控制和減少輻射。使用一個(gè)簡(jiǎn)單的5.1 Ω電阻RP（在GATEP上）就足以降低M1功率MOSFET的開啟邊緣速率，并將電磁輻射騷擾保持在盡可能低的水平。當(dāng)然，一些輻射濾波器和SSFM也有助于減少輻射。EVAL-LT8357-AZ評(píng)估板還額外留出了輻射屏蔽位置，但對(duì)于大部分應(yīng)用，可能沒(méi)有必要。這個(gè)異步升壓控制器與它的單片式版本非常相似，具有高功率、低EMI升壓和SEPIC應(yīng)用所需的所有功能。
圖7.LT8357高壓升壓控制器具有分立式門引腳， 用于單獨(dú)控制高功率分立式MOSFET開關(guān)邊緣的上升沿和下降沿。黃色方框圈出了分立式柵極引腳。
圖8.圖7中的LT8357升壓控制器具有出色的輻射和效率性能，RP = 5.1 Ω，RN = 0 Ω。 單獨(dú)的門驅(qū)動(dòng)引腳允許受控開關(guān)開啟，同時(shí)提供快速關(guān)斷。 在示意圖中，顏色分別表示：紅色RP = 0，RN = 5.1；黃色RP = 0，RN = 0； 綠色RP = 5.1，RN = 0；藍(lán)色RP = 5.1，RN = 5.1。 通過(guò)CISPR 25 5類輻射標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)低EMI評(píng)估電路（例如LT3950 DC2788A）進(jìn)行了大量測(cè)試，以評(píng)估其電磁輻射和傳導(dǎo)輻射。圖9至圖11顯示成功的輻射測(cè)試結(jié)果，在測(cè)試時(shí)，SSFM開啟，采用12 V輸入，330 mA電流流經(jīng)25 V LED串。電流探針和電壓方法CE的結(jié)果都通過(guò)了非常嚴(yán)格的限值標(biāo)準(zhǔn)。在開關(guān)中，很容易出現(xiàn)FM頻段CE挑戰(zhàn)，但LT3950不受FM頻段影響。
圖9.DC2788A LT3950通過(guò)了(a)平均和(b)峰值CISPR 25 5類傳導(dǎo)輻射測(cè)試（電流探針?lè)椒ǎ?br />
圖10.DC2788A LT3950通過(guò)了(a)平均和(b)峰值CISPR 25 5類傳導(dǎo)輻射測(cè)試（電壓方法）。
圖11.DC2788A LT3950通過(guò)了(a)平均和(b)峰值CISPR 25 5類電磁輻射測(cè)試。 將開關(guān)頻率設(shè)置為2 MHz（300 kHz至2 MHz可調(diào)范圍），這樣，基波開關(guān)輻射可以保持高于AM射頻頻段（530 kHz至1.8 MHz），不會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題，且無(wú)需在前端上加裝笨重的LC AM頻段濾波器。取而代之，LT3950使用的EMI濾波器可以是小巧的高頻率鐵氧體磁珠。 雖然熱回路中有額外的耦合電容，耦合電感中有額外的端口（使開關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量翻倍），LT8334 SEPIC還是能保持低輻射。EVAL-LT8334-AZ SEPIC 12 VOUT評(píng)估套件也使用2 MHz和SSFM，能提供低輻射。EVAL-LT8357-AZ升壓控制器可以實(shí)現(xiàn)相似的性能。有關(guān)這些器件的完整輻射結(jié)果、原理圖和測(cè)試選項(xiàng)，可以訪問(wèn)analog.com，查看對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品登錄頁(yè)面。表1列出了一個(gè)新的低EMI異步升壓和SEPIC轉(zhuǎn)換器系列。單芯片IC和控制器IC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，采用多種拓?fù)洌哂写蠊β使δ芎偷洼椛�，因此非常�?shí)用。當(dāng)超低輻射成為首要的要求時(shí)，也可以使用高電流Silent Switcher升壓轉(zhuǎn)換器。 表1.新型低EMI單芯片升壓轉(zhuǎn)換器，帶開關(guān)邊緣速率控制
結(jié)論 同步Silent Switcher和異步單芯片開關(guān)穩(wěn)壓器都可以用于低輻射應(yīng)用。與超高性能的Silent Switcher轉(zhuǎn)換器相比，異步升壓轉(zhuǎn)換器的成本更低。第二個(gè)開關(guān)被低成本續(xù)流二極管替代，后者在高壓下具有一定優(yōu)勢(shì)，能夠靈活地重新配置為SEPIC。當(dāng)功率開關(guān)邊緣速率受到良好控制，且提供有限的振鈴時(shí)，小型塑料封裝和PCB中經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的小型熱開關(guān)回路區(qū)域都提供低輻射。這些特性應(yīng)與其他低EMI特性（例如SSFM和EMI濾波器）結(jié)合。即使在高功率升壓控制器中，柵極驅(qū)動(dòng)控制也有助于降低和平緩開關(guān)邊緣，以實(shí)現(xiàn)低輻射。請(qǐng)?zhí)貏e注意熱回路的最佳頂層布局，并明智地選擇您的DC-DC轉(zhuǎn)換器，以實(shí)現(xiàn)低輻射設(shè)計(jì)。ADI公司推出的低EMI升壓轉(zhuǎn)換器系列可能剛好能夠滿足您的需求。 參考資料 1 Steve Knoth，“小尺寸高功率密度�！蹦M對(duì)話，第53卷第4期，2019年10月。 作者簡(jiǎn)介 Keith Szolusha是ADI公司應(yīng)用總監(jiān)，工作地點(diǎn)位于美國(guó)加利福尼亞州圣克拉拉。自2000年起，Keith任職于BBI Power Products Group，重點(diǎn)關(guān)注升壓、降壓-升壓和LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，同時(shí)還管理電源產(chǎn)品部的EMI室。他畢業(yè)于馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院(MIT)，1997年獲電氣工程學(xué)士學(xué)位，1998年獲電氣工程碩士學(xué)位，專攻技術(shù)寫作。聯(lián)系方式：keith.szolusha@analog.com。 Kevin Thai是ADI公司應(yīng)用工程師，工作地點(diǎn)位于美國(guó)加利福尼亞州圣克拉拉。他任職于CTL Power Products Group，負(fù)責(zé)監(jiān)管單芯片升壓產(chǎn)品系列，以及其他升壓、降壓-升壓和LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品。他于2017年獲得加州理工大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位，于2018年獲得加州大學(xué)洛杉磯分校的電氣工程碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：kevin.thai@analog.com。 |
