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作者：Tony Armstrong和Christian Kueck 當設計中需要優先考慮并盡可能減少EMI（電磁干擾）時，線性穩壓器可以算得上一種低噪聲解決方案，但考慮到散熱和效率要求其并不適用于該種場景，反而需要選擇開關穩壓器。即使在對EMI敏感的應用中，開關穩壓器通常也是輸入電源總線上的第一個有源元件，無論下游變換器如何，它都會顯著影響整個轉換器的EMI性能。到目前為止，還沒有明確的途徑來確保可以通過電源IC的選取可以抑制EMI并達到效率要求。LT8614 Silent Switcher穩壓器現在做到了這一點。 與當前先進的開關穩壓器相比，LT8614可將EMI降低20dB以上。相比之下，它在30MHz以上的頻率范圍內將EMI降低了10倍的同時，并未影響等效電路板區域的最小導通、關斷時間或效率。它無需額外的元件或屏蔽即可實現這一點，代表開關穩壓器設計的一個重大突破。 改善EMI問題的新方案 解決EMI(電磁干擾)問題的可靠方法是對整個電路使用屏蔽盒。當然，這會大大增加所需的電路板空間、元件和裝配成本，同時增加熱管理和測試的復雜度。另一種方法是減緩開關邊緣的速度。但這會導致效率降低、增加最小導通、關斷時間及其相關死區時間等不良影響，并影響潛在的電位電流控制環路速度。 LT8614 Silent Switcher穩壓器在不使用屏蔽盒的情況下達到了所需的效果（見圖1）。LT8614的IQ低至2.5μA，在無負載的情況下進行調節時，器件消耗的總電源電流為2.5μA，這對始終開機的系統非常重要。 
圖1.LT8614 Silent Switcher可充分降低EMI/EMC輻射，同時在高達3MHz的頻率下實現高效率（轉換）。 其超低壓差僅受內部頂端開關的限制。與其它解決方案不同，LT8614的VIN-VOUT（輸入輸出電壓）限制不受最大占空比和最小關斷時間的限制。如圖6所示，該器件在出現壓降時會跳過關斷周期，以保持內部頂端開關升壓級電壓持續穩定。 同時，典型最小工作輸入電壓僅為2.9V（最大為3.4V），使其能夠在降壓狀態下提供3.3V的電壓。由于LT8614的總開關電阻較低，在大電流情況下，其效率高于同類器件。 LT8614(的工作頻率)可以和200kHz至3MHz的外部工作頻率同步。由于交流開關損耗較低，因此它可以在高開關頻率下以最低的損耗工作。在對EMI敏感的應用比如很多汽車環境中常見的應用中，達到一個良好的平衡，并且LT8614可以在AM頻段以下工作以達到更低的EMI，或者也可以在AM頻段以上工作。在具有700kHz工作開關頻率的設置中，標準的LT8614演示板在CISPR25的5級測量中均未超過本底噪聲。 圖2顯示了在12V輸入電壓、3.3V輸出電壓、2A電流、固定開關頻率為700kHz的電波暗室中進行測量的結果。為了比較LT8614 Silent Switcher技術與另一款當前先進的開關穩壓器，將該產品與LT8610進行對比測量（見圖3）。在GTEM室中，對兩個器件的標準演示板使用相同的負載、輸入電壓和相同電感進行了測試。
圖2.LT8614板在電波暗室中符合CISPR25輻射標準。本底噪聲與LT8614的電磁輻射騷擾相當。
圖3.LT8614與LT8610的電磁輻射騷擾進行比較。 可以發現，與LT8610已經很不錯的EMI性能相比，使用LT8614 Silent Switcher技術還能再改善20dB，特別是在更加難以管理的高頻范圍。 在時域中，LT8614在開關節點邊緣的性能良好，如圖4和圖5所示。即使在4ns/div時，LT8614Silent Switcher穩壓器的振鈴也非常小。如圖4所示，相比之下LT8610具有良好的振鈴抑制能力，但與LT8614（圖4）相比，可以看到它在熱回路中存儲的能量更高。
圖4.LT8614 Silent Switcher和LT8610的開關節點上升沿的比較。 圖5顯示了13.2V輸入電壓下的開關節點，以及LT8614如何在開關節點處實現近乎理想的方波。圖4、圖5和圖6中的所有時域測量均使用500MHz Tektronix P6139A的探頭，探頭尖端屏蔽緊密連接至PCB的 GND平面。兩個器件都使用了現成的演示板。
圖5.LT8614近乎理想的方波開關波形實現了低噪聲操作。 LT861x系列的絕對最大輸入電壓額定值為42V，這對于汽車和工業環境非常重要。而在汽車應用中壓降性能與其（最大輸入電壓額定值）同樣重要。通常，在冷啟動情況下，必須支持關鍵的3.3V邏輯電源。在這種情況下，LT8614 Silent Switcher穩壓器保持了LT861x系列近乎理想的性能表現。如圖6所示，LT8610/11/14器件沒有采用替代部件的較高欠壓鎖定電壓和最大占空比箝位功能，而是降至3.4V運行，并在必要時開始跳周期。這就會產生比較理想的壓降性能，如圖7所示。
圖6.LT8614和LT8610的開關節點的壓降性能。
圖7.LT8614壓降性能。與其他LT861x器件一樣，它的工作電壓低至3.4V，并在必要時開始跳周期。 LT8614的最低導通時間為30ns，即使在高開關頻率下也能實現較大的降壓比。因此，它可以在輸入電壓高達42V的情況下，通過一次降壓提供邏輯核心電壓。 結論 眾所周知，為了在系統設計完成時能夠通過電磁干擾測試，在變換器初始設計階段就需要慎重考慮電磁干擾問題。LT8614 Silent Switcher穩壓器可以通過選擇功率IC，確保成功可行的實現這一需求。LT8614將當前先進的開關穩壓器產生的電磁干擾降低了20dB以上，即使提高轉換效率，也不需要額外的組件或額外的屏蔽。 開關穩壓器和EMI 印刷電路板的布局設計確定了一個電源的功能、電磁干擾和熱行為，并決定了每一種電源設計的成敗。雖然開關電源的布局不是一門魔法，但在最初的設計過程中，它往往會被忽視。由于必須滿足功能和電磁干擾的要求，有利于電源功能穩定性的因素通常也有利于電磁干擾輻射。要知道，從一開始就有良好的布局不僅不會增加成本，實際上還可以節約成本，并且不再需要更改EMI濾波器、機械屏蔽、EMI測試時間和PC板。 EMI發射有兩類：傳導和輻射。傳導發射通過電線和走線連接到產品。由于該噪聲局限于設計中的特定端子或連接器，因此通常在開發過程早期可通過良好的布局和濾波器設計保證符合傳導輻射要求。 然而，輻射發射則是另一回事。電路板上任何承載電流的東西都會輻射電磁場。電路板上的每一條走線都是一根天線，每個銅層都是一個鏡子。除了純正弦波或直流電壓以外，任何其他東西都會產生較寬的信號頻譜。即使精心設計，開發人員在系統測試之前，也無法真正知道輻射發射情況會有多嚴重。輻射發射測試只有在設計基本完成后才能正式進行。 濾波器通常會在一定頻率或在一定頻率范圍內衰減信號強度來降低電磁干擾。通過添加金屬板作為磁屏蔽，可以衰減空間（輻射）的一部分能量。通過添加鐵氧體磁珠和其他濾波器抑制 PCB 走線（傳導）的低頻部分的能量。EMI無法消除，但可以衰減到其他通信和數字器件能夠接受的水平。此外，一些監管機構通過實施相關標準來確保合規。 采用表面安裝技術的現代輸入濾波器擁有比通孔器件更好的性能。但是，這種改善跟不上開關穩壓器工作頻率增加的步伐。更高的效率、較短的導通和關斷時間以及更快的開關轉換，導致諧波含量更高。所有其他參數（如開關容量和轉換時間）保持不變時，開關頻率每增加一倍，EMI 便惡化6dB。如果開關頻率增加10倍，寬帶EMI性能就會像一階高通濾波器一樣，輻射增加20dB。 精明的PCB設計人員會將熱環路變小，并讓屏蔽接地層盡可能靠近有源層。盡管如此，器件引腳排列、封裝結構、散熱設計的需求以及在去耦元件中儲存充足能量所需的封裝尺寸都要求盡可能減小熱環路。在典型平面印刷電路板設計中更為復雜的是，由于頻率越高，不良的磁耦合或天線耦合就越顯著，因此走線之間高于30 MHz的磁性或變壓器式耦合會削弱所有濾波器的作用。 當多個直流/直流開關模式穩壓器并聯，以實現均流和更高的輸出功率時，潛在的干擾和噪聲問題可能會變得更加嚴重。如果所有的穩壓器都以類似的頻率工作（開關），那么電路中多個穩壓器產生的綜合能量就會集中在該頻率及其諧波上。，對于PC板上的其他IC和其他系統板這種能量的存在可能會成為一個難以解決的問題，器件間靠得很近，易受到這種輻射能量的影響。在汽車系統中，因元器件密集，且經常與音頻、射頻、CAN總線以及各種接收系統靠得很近，這種問題尤其令人擔憂。 關于作者 Tony Armstrong Tony Armstrong是ADI公司Power by Linear產品部的業務開發總監。他負責電源轉換和管理產品從上市到停產的所有事務。加入ADI之前，Tony在凌力爾特、Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel擔任過營銷、銷售和運營方面的不同職位。他擁有英國曼徹斯特大學應用數學（榮譽）學士學位。Tony于2020年春季退休。 Christian Kueck Christian Kueck是歐洲電源產品部的戰略營銷經理。他畢業于多特蒙德大學電子工程專業，主攻微電子領域，在該行業有25年的工作經驗。 |
