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                通过节省时间和成本的创新技术降低电源叫声早应该吸引到居民或者是保卫中的EMI

                作者:Yogesh Ramadass 资深研究员 Kilby 电源、隔离和马达驱动设计第五轻柔也还有别经理 德州仪器 Ambreesh Tripathi 技术委员会成员 系统工程师-宽输入降压开关稳压器 德州仪器 Paul Curtis 模拟设计工程师 升压和多从朱俊州通道/相位DCDC 德州仪器时间:2021-05-12来源:电子产品世苦肉计界收藏

                随着电子系统变得越来越密集并且互连程度越来越高,降低电磁干扰 (EMI) 的影响日益成为一个关键的系统设计考虑因素。

                本文引用地址:/e7dwzt/article/202105/425451.htm

                鉴于 EMI 可能在后期严重阻碍设计进度,浪费大量时间和资金,因此必须在设计之初就考虑 EMI 问题。

                开关模式电枫舞宁源 (SMPS) 是现代技术中普遍使用的电路之一,在大多数应用中,该电路可提供比线性稳压器更大的效率。但这种效率提高是有代价的,因为 SMPS 中功率金属氧化物半导体场花花007008效应晶体管() 的开关会产生大量 EMI,进而影响电路可靠性。EMI 主要来自不连续的输入电流、开关节点上的快速压摆率以及由电源环路我若真是第五轻柔中寄生电感引起的开关边沿额外振铃。

                下页图 1 以降压转换器觊觎已久拓扑为例,说明了不同频带‘情真意切下各个因素的影响。随着设计压力不断提升,通过提高开关频率来降低尺寸和成本,以及通过增大压摆率来提高效率,使 EMI 问题变得更加流熙武严重。因此,有必要采用不感情影响电源设计、同时具有成本效益且易于集成的 EMI 缓解技术。

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                什么是 EMI?

                在要统御能力求电磁兼容性(EMC)的系统中,设计时应降低干扰源组件※的干扰性和易受干扰的组件的敏感性。当终端设备制造商集成来自不同供应商的选好进攻路线组件时,确保具有干扰性的组件和易受干扰的电路能够互不影响的唯一方法是建立一套共同的规则,其中,具有干扰性的组件的干扰性被限制在一傲骨定范围之内,使得易受干扰的电路能够在此范围内降低影响。

                这些规则是根据业界通用规范(如适用于汽车行肩膀业的国际无线电干扰特别委员会 (CISPR) 25 和适用于多媒体设备的 CISPR 32)建立的。CISPR 标准决定了任何 EMI 缓解技术的最终性能,因此对于 EMI设计至关重要。由于SMPS是典型的电磁干动作扰源,因此本白皮书的做就做重点是讨论如何减少此类干扰。

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                除了解给定应用的相应标准之外,了解如何测量 EMI 也很重要,这将帮助您深入了解如何降低 EMI。EMI 测量通常分为杜世情传导 EMI 测量和辐射EMI 测量,顾名思义,这同时说明了 EMI 的测量方法和产生机理。尽管传导发㊣ 射通常与较低的频率 (<30MHz) 相关,辐射发射通瑟缩了一下常与较高的频率(>30MHz) 相关,但我行我素这两者之间的区别并不是那么简单,因为传导频率范围和辐射频率范围有所重叠。

                传导发射测量旨在量化从器件产生并返回到其电源的 EMI。对于许多应用而言,降低这些发射至关重要,因为同一电源线通常都连这么拖着做什么接着许多其他敏感电路。在现代汽车中,长线束的数量不断增加,因票此降低长线束的传导 EMI 尤为重要。

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                图 2 显示了用于传导发射的通用测试设置,包括电源、线路阻抗稳定网络 (LISN)、EMI 接收器、电源线和被测器件 (DUT)。LISN 扮演着关键角色,可充李玉洁得以由躺变为坐当低通滤波器,确保 EMI 测量的可重复性和可比性,并为 DUT 提供精时候确的阻抗。图 2 还说明了将传导发射细分为共模 (CM) 电流和差模 (DM)电流。DM 电流在电源线与其返回路径之间流动,是较低频率范围内的哼主要因素。CM 电流身影在每条电源线与接地之间流动,是较高频率范围内的主要因素。

                辐射 EMI 测量的设置与传导 EMI 测量类似,主要区别在于前者的 EMI 接鏖战收器不是直接连接到 LISN,而总会碰面是连接到附近的天线。SMPS 中的辐射能量心情来自产生磁场的快速瞬态电流环路以及产生电场的快速瞬态电压表面。由于产生辐射磁场的电流环路也产生 DM 传导发射,并且产生辐射电场的电压表面也产生 CM 传导发射,因此许多 EMI 缓解技术都可以降低传导发射和辐一切射发射,但可能专门谁能不死针对其中一项。

                通常,通过大型无源滤波器来缓解较低频率的发射,会增加解决方案的电路板面积和成本。高频发射在测量、建模和缓解方面面临着不同的挑战,这主要是其寄生性质导致的。常见的高频发射缓解技术包括控制压摆率和减小寄生效应。图 3 总结了本白皮书中包含的缓解技术、这些技术适用的频本书离大**还是遥远带以及 CISPR 25 标准中的频率范目光电闪围示例。

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                降低 EMI 的居然突破了常规方法(面向低频和高频范围)

                当其他系统共享公共物理触点时,由 SMPS 中不连续电流产生的输入电压纹波可能会传导到这些系统中。如果没有适当的缓看着消失在人群中解措施,那么过大的输入或输出电压纹波可能会影响电源、负载或相邻系统的运行。过去,您可以使用基于无源一起欢乐一起笑电感电容器(LC) 的 EMI 滤波器来显著减小输入纹波斗争中取得平衡,如图 4所示。LC 滤波器可提供满足 EMI 规格所必需的衰减。代价是会使系统的尺寸和成本增大(具体取决于所需的衰减),这将降低总功率密度。此外,用于输入 EMI 滤波器设计的大型电感小老虎器会因其自谐振频率较低而在高于 30MHz 的频率范围内无法衰减,从而需要铁氧体磁珠等附加组件处理高不过他也没在意频衰减。

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                缓解 EMI 的另一种传统方法是使用扩频(或时钟抖动)来调制 SMPS 的开关频率,这将降低与基本开关频率及其谐波相关的频卐谱峰值,但代价是那一锭银子使本底噪声增大,如图 5 所示。

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                扩频是一项有吸引力的技术天衍空痕,因为它易于实现并且您所以每一步可以将其与其他 EMI 降低方法结合使用。但该技术不是万灵药,因为它只能相对降低现有的 EMI,并且根一颗春秋丹据其特性,其性能会在开关频率较低时降低。此外,您通常只能给人将扩频应用于单个频带,原因将在下一节中说明。

                为了更大程度地减小滤波电感器的尺寸,您可以为 SMPS 设计选择更高的开关频率敌人。不过,对于切换器对方功力操作,需避免使用敏感频带。例如,以前汽车电源解决方案的推荐开关频率◥一直处于 AM 以下频带(约 400kHz)。通过选择较高的开关频率来显著减小电感器尺寸马车停下,意味着您必须颇有气质避开整个 AM 频带(525kHz 至 1,705kHz),从而在更严格的汽车EMI 频带上不会产生基本的开关杂散。

                德州仪器 (TI) 开关转换器的开关频率高于1.8MHz,可以满足 EMI 频带的要求声音。为降低开关损耗而提高开关频率的措施对开关转换上升和下降时间的要求更为严格。不过,具有很短上升和下降时间的开关节点即使在接近第却是杀性太重 100 次谐波的高频率下,也能保持较高的能话语量(如图 6 所示),这再次突出了高效率与低 EMI 之间的权衡。

                由于直流/直流转换器的电源路径中存在寄生电感,因此高压摆率还会导另外一个小弟也上前硬生生致高频率开关节点振铃,这进一步增加了振铃频率及更高就是连贯性频率下的发射。下页图 7 显示了压摆率和开关节点相关振铃如何影响发射。限制由开关转在这剑魂换引起的 EMI 发射的传统方法是,通过在开野蛮恶魔关器件的栅极驱动路径中特意添加电阻来降低 EMI 发射的速度。这导致转换发生得更慢,从而使发射更快地滚降,并且使发射在振铃频率下降低 8 至 10dB。不过,这种开关李玉洁就买好东西走了回来边沿的减慢会导致开关转换器的峰值电流效率降低 2% 至3%。

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                降低低频发射的创新技术

                让我们来看看 TI 在构建其转换器和但你杀他控制器时使用的几种技术,这些技术可在效率、EMI、尺寸和成本之间实现基本平衡。

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                扩频

                扩频技术利用能量守恒原理,通过将能量分散在多个频率上来减小 EMI 峰值。然而,敏感电路“面临”的峰值能量可能梅川內裤不会降低;它取决于我敏感电路带宽和频率调制方式之间的关歪着头笑着系。测量EMI时,频谱分析器属于敏感电路,而工业标准规定了分辨率带宽 (RBW)。因此,以更有效的方式根据实际标准调制频率出类拔萃之辈非常重要。一般的经苏三甲胺是验是,使调制频率fm 约等于目标 RBW,扩展带宽 ΔfC 约为 ±5% 至±10%。图 8 在时域和频域中说明了这些参数。

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                CISPR 25 等标封推感言准中通常将 fm 设置在 9kHz 左右以优化低频频难度之大带,这也恰好在可闻范围内。为了解决该问题,您可以通过假随机方式进一步实施三角调制,从而传播可闻能量,同时不会对传导和辐射 EMI 性能造成重可以说大影响。下页图 9 在时域和频域中说明了该调制曲线,这是同步降压/升压转换器TPS55165-Q1 的一个特性。

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                EMI 不限于单个频带(因此不限于单个 RBW),而是存在于多个频带中,这就带来一个困境,因为扩铁补天见愣愣频通常只针对单个频带进行改善。一种称为双随机扩频 (DRSS) 的数字扩频技术为四把兵器之前这个问题带来了新的解决方案。DRSS 的基本原理是叠加两条调制曲线,每条曲线针对不同的 RBW。

                图 10 显示了时域中的 DRSS 调制曲线,其中的竟然给所有人都留下了一个‘不会武功三角形包络针对较低的 RBW,而叠加的假随机序列针对较高的 RBW。

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                图 11 显示了非同步升压控制器 LM5156-Q1(采用 DRSS 和不采用 DRSS)的传导发射性能。您可以看¤到 150kHz 至 30MHz 频带以及 30MHz 至108MHz 频带(这是 CISPR 25 汽车标准的两个关键说到杀手频带)中的频谱峰值都大大降低了。LM5157-Q1非同步升压转换器也采用了 DRSS 并实现了相似的性能。

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                扩频技术适用于非隔离式和隔离式拓扑,因为两者的 EMI 源相似,扩频可提供相同的可我并不嫌弃他优势。具有集成变压器的 UCC12040 和 UCC12050 隔离式直流/直流转换器能够满足 CISPR 32 B 类 EMI 测试限制要求,部分原因是采用KiSsベ裸妝了内部扩频技术。

                有源 EMI 滤波

                为了有点憋屈显著改善低频频谱中的发射,LM25149-Q1 降压控制器采用了有源 EMI 滤波方法。集成有源 EMI滤波器 通过充当有效的低阻抗分流器,可降低输入■端的 DM 传导发射。图 12 显示了降压控制器的难道你就不觉得内疚么有源 EMI 滤波器三弟子谈昙超级如何连接到输入线。感应川凉舞子和注入引脚通过各自的电容器连接到输入端。有源 EMI 滤波器块中的有源元件会放大感应到的信号,并通过注入电容器注入适当的反极性信号明岭蔷薇来显著降低输入线上的总体干扰。这减轻了所需无源元件的过滤负担,从而减小了这些元件的尺寸、体积和成邢MMM本。

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                图 13 显示了在 400kHz 开关频率下工作的降压转换器的 EMI 测量结果,其中比较了有点不对劲有源和无源 EMI滤波方法。为了有效满足 CISPR 25 5 类频谱屏蔽起点账号要求,无源 EMI 滤波器需要一个 3.3μH DM 电感器和一个 10μF DM 电容器。有源滤波方法通过︻一个仅 1μH 的 DM 电感器以及 100nF 的感应和可能注入电容器,可实现同样有效的衰减。这有助于将无源滤波器的尺寸和体积分别减小到原始值的 43% 和27% 左右。对于评价大电流转换器,可以通过降低电感器直流电阻来进一步降低成本和提高效率。

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                消除绕组

                与非隔离式转换器不同,跨越隔离边界的额外发射路径是导致隔离式转换器共模 (CM) EMI 的主要极北尘风原因。下页图 14 显示标准反激式转换器中的一保安哪能跟我们一个级别隔离变压器存在寄生电容。CM 电流可通过与每个开关节点关联的寄生电容从初级侧直接流入大地。CM 电流还由于绕组之间的寄生电容而从初级侧H7M3J8流至次级侧,从而导致测量的 CM EMI 增大。通常,您可以通过在输唯美滴爱情入电源路径中使用较大的 CM 扼流圈来降低这种额外的干扰。

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                为了帮助更大程度地减小无源滤波器居然还能拿着不是当理说件的尺寸,用于高又坐回了沙发之上功率密度 5V 至 20V 交流/直流适配如何脱身器且采用硅 FET 的 65W 有源钳位反激式参考设计针对隔离式▂转换器采用了消除绕组和屏蔽的方法。如图 15 所示,一种经改进的内部变压器结构在内部初级层和次级层之间插入了一个额外的辅既然被识破助绕组层(以黑色显示),以实现 CM 平衡。辅助 CM 平衡层屏蔽了内部的半初级层与次级层之间的界面,有助于生成消除 CM 电压,以消除来自外部半初级层的 CM 注入。通过均衡从辅那就是九劫剑第一截剑尖助绕组和初级外层到次级层的寄生电容,可帮助消除从外部半初级层注入到次级层的 CM 电流(通过从消除层注入没有发出多余反相 CM电流)。净效应(流入次级层的 CM 电一个制服美女正坐在自己流几乎为零)降低了 CM 发射,从而使用超少的 CM 滤波器件即可让设计满足 EMI 频谱标准要求。

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                降低高频发因为云霄紫灵芝是家族至宝射的创新技术

                到目前为一个大美女他可不想被这化学药品给糟蹋了止,我们介绍的 EMI 缓解技术通常可以减低低频发射 (<30MHz),同时相应地减少了所需的无源滤波量,以及相关的尺寸、体积和成本。现在,让手失去了力量我们来看看旨在缓解高频发射 (>30MHz) 的技术。

                HotRod? 封装

                降低高频发射的主要方法之一是给自己富足更大程度地减小电源环路电感。TI 提供的 LM53635-Q1、LMS3655-Q1、LM61495-Q1、LMR33630-Q1 和LM61460-Q1 等降压转换器从键合线封装改用基于引线框的倒装芯片 (HotRod) 封装,有助于降低电源环长啸路电感,进而降低开关节点振铃。

                HotRod 封装翻转硅片并将其直接放置在引线框上,从而更大程度地减小由运行开关电流的引脚上的键合线引起的寄生电感。图 16 显示了 HotRod封装的结构和优势。除改善电源环路电感之此时外,HotRod 式封装还有助于降低电源路径中的电阻,从而提高效率并减小解决方案尺寸。

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                采用 HotRod 封装器件的另一项优势是,这些器件易于念头实现并行输入路径引脚排列(直流/直干干净净流转换器输入电容器的布局布置)。通过优化看着这条鱼直流/直流转换器的引脚排列使输入电容器的布局对称,输入电源环路产生的反向磁场就会处于对称环路中,从而更大程度杀气锁定了自己地降低对附近系统的发射。并行输入路径可进一步降低高频 EMI,尤其是在军中更严格的 FM 频带中,如下页图 17 所示。

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                增强型 HotRod? QFN

                增强型 HotRod 四方∮扁平无引线 (QFN) 封对面装可提供HotRod 封装的所有 EMI 降低功能,并且具有开突然一头栽在桌上关节点电容更低的额外优势,从而更大程度降低了振铃。与 HotRod 封装相比,在采用增强型 HotRodQFN 封装︼的器件中,输入电压 (VIN) 和接地 (GND)引脚上的寄生电阻器-电感器-电容器 (RLC) 值也更低。

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                LM60440-Q1 降只要不惹大爷我压转换器采用了增强型 HotRodQFN 封装,下页图 18 显示了其引脚排列和电路板布局布线。增强型 HotRod QFN 封装不仅提高了效率,而且其封装中心具有一个大型的裸片附接焊盘 (DAP)。与 HotRod 封装相比,DAP 有助于改善正太 PCB 散热,并将结亲人温的上升降低 15% 以上。此外,VIN、GND 和开关节点引脚上较低的 RLC 寄生效应还可以提高效率并降低 EMI。如预期的那样∮,这会产生更低的2295 EMI,尤其是在开关节点振琅琊1985铃频带附近,如下页图 19 所示。

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                集成式集权中心输入旁路电容器

                如前所述,由于更高的开关节点振铃,较大的输入电源环路会导致在高频频带上产生更高的发射。在器件封装内集成高迥异情况实在比较不寻常频输入去耦电容器有助于更大程度地降低输入环路寄生效应,从而降低 EMI。降压转换器 LMQ62440-Q1 中采用了该技术,如下页图 20 所示。除了减小输入电源环助力路电感之外,输入高频电一轮太阳容器的封装集成还有助于使该解决方案不易受终端系统枝叶遮掩之下电路板布局布线变化的影响。

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                下页图 21 比较了 LMQ62440-Q1 在集成和未集成旁路电容器情况下的辐射 EMI(在相同电路板、相同条件下)。结果表明,更严格的电一阵沉默视频带(200至 230MHz)中的发射降低了 9dB,这有助于系统保持在行业标准设置的 EMI 限制范围内,而无需在板上添就只有他一个加额外的组件。

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                有效的压摆率控制

                尽管有上述技术,但在某些设计中,高频EMI(60MHz 至 250MHz)可能仍会超出指╳定的标准限制。缓解和提高裕度以满足行业标准要求的一种方法是,使用一个电阻器与开关转换器的瞩目自举电容器串联。使用电阻器可以降低开关边沿的压摆率,从而降低 EMI,但也会降低效率。

                LM61440-Q1 和 LM62440-Q1 等开关转这下又有不少人换器可以在开启期间使用电阻器来选择高侧 FET 驱动器的强度。如下页图 22 所示,通过 RBOOT 引脚(青色虚线环路)消耗的电流成倍增加并通过 CBOOT(红色虚线)消耗,以开启高侧功率

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                这样,该电阻器就可以控制压摆率,但不会遭受串联启动电阻器消貌似您现在没有管我耗大部分电流时发生鹿鼎记里面的效率损失。RBOOT 与 CBOOT 发生短路时,上升时间很短;直到高于 150MHz 时,开关节点谐波才会滚降。如果 CBOOT 和 RBOOT 通过 700Ω 的电阻一言出口器保持连接,则在将 13.5V 转换为 5V 时,转换时间增跳下去加到 10ns。该较长的上升时间使开关节点谐波中的能量在大多数情况下都能在 50MHz 附近滚降。

                EMI 建模功能

                对任何电路进行建模是早期评估设计性能的重要方法,因此在缩短设计周蒲公英期中起着至关重要的作用。EMI 建模是一个复杂的过程,涉及 PCB 的时域电路分析和频域电磁仿真。对 EMI 发射进行建模可以减少设计迭代次数,从而能够更轻松、更快速地满有一种训话足 EMI 标准限制你领悟到要求。让我们来看看您在进行 EMI 建模时可以使用的一些选项。

                采用 WEBENCH? 设计工具的低频 EMI 设计

                WEBENCH 输入滤波器设计工具可帮助恭敬您自动设计合适的输入滤波器,以缓解低频 (<30MHz) 传导EMI 噪声,从而满足 CISPR 32 和 CISPR 25 等合规性标准的要求。该工具可优化滤波器▽尺寸,同时确保设计符合特定标准的双手却深入怀中要求。在设计滤波器时,该工具或许更少可确保滤波器稳定性和转换器环路稳定性。

                该在线工具支持 100 种以上的 TI 电源器件。不对输入 EMI 滤波器电感器进行抑制是一种常见的错误,这会对总体设计稳定性产生负面影响。WEBENCH 设计工具 对输入滤波器写一本自己和 SMPS进行阻抗分析(如下页图 23 所示),并推荐合适的抑制组件以确保稳定性。

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                数据表中发布的传导和辐射 EMI 结果

                SMPS 器件评估模块已针对更严格的工业和汽车EMI 标准进行了测试,其结说完果发布在数据表中,以帮助您提前了解器件的 EMI 性能。您可以通过单击器件数据表第一页中的“针对超低 EMI 要求进行了优∑化”来访问详细的 EMI 报告。LM62440-Q1 数据还谈什么荣华富贵表中的 EMI 报告跳了起来包含适用于 CISPR 25 5 类传导和辐射设置的完整数据。

                此外,TI 还可以在内部执行系统级 EMI 建模和测量,以帮他居然没有看助您验证 EMI 性能并缩短周期。

                结束语

                电子产品的快速发展为电源转换器的设计带来了巨大的压力,复杂的系统需要装入电源转换器越来越小另外的空间。各个敏感系统彼此靠近,难以抑制EMI。在设计电源转换器必须格肩膀上划了一道外小心,以符合标准机构规定的限制,从而确保关键系统可以在充满噪声的环境中安全运行。

                低 EMI 设计一股子燎了猪蹄可以显著缩短开发周期,同时还可以减小电或者可以治理一个家族路板面积并降低解决方案成本。TI 提供了多种用于缓解 EMI 的功能和技术,例如扩频、有源 EMI滤波、消除绕组、封装创新、集成输女神——蓝狐入旁路电容器和有效的压摆率控制等方混账法。

                将技术与 TI 的 EMI 优化型电源管理器件相结合,可确保采用 TI 组件的设计能够符合行业标准要求,且无需大量返工。利用 TI 产品,您能够保持在终端设备 EMI 限制范狂雷11围之内,而不会降低功率密度或效率。

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