使用DCDC降压转换器功能优化汽车设计中的EMI

汽车行业一直在寻求改进，从而使汽车配备更多传感器和新的电子功能。目标是提高功率水平，现在，工程师可能需要依靠降压拓扑来达到新的效率标准。

降压型能够以更高的效率提供比典型 LDO 更多的功率，但有一个缺点——它的开关特性会产生电磁干扰 (EMI)，这对于汽车应用来说可能是一个严重的问题。幸运的是，工程师可以使用许多技巧和工具来降低 EMI，包括优化电路板布局、利用 IC 功能和添加电路。

DC/DC 转换器通过输入纹波、与附近电路的电和磁耦合以及电磁辐射产生 EMI。EMI 会干扰 AM/FM 无线电接收器和其他敏感设备，例如主机或高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 传感器。显着的 EMI 会在无线电和主机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。

为了防止这种显着的退化，工程师需要设计符合官方标准的系统，例如国际无线电干扰特别委员会 (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 EMI 限制，因此重要的是在电路板布局期间遵循良好的布局优化实践。降压转换器最重要的做法是：

通过快速变化的电压（高 dv/dt）减少节点的表面积，以及

通过快速变化的电流（高 di/dt）减小电流回路的面积。

这两个基本规则将规定工程师放置某些组件的位置，以最大限度地减少 EMI。

不幸的是，即使是最优化的 PCB 布局也无法避免所有与 EMI 相关的问题。此外，由于电路板尺寸和形状或时间限制，通常无法像我们希望的那样优化 EMI 布局。例如，一个非常紧凑的布局可能要求您将功率电感器放置在电路板的底部，或者将输入电容器放置在距离 IC 稍远的位置，而不是使 EMI 最小化的最佳位置。

这些和其他布局限制可能会导致 EMI 降低系统性能。即使有经验和细心，电路板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，您还能做些什么来最大程度地降低应用的 EMI？

绕过电路板布局限制

如果无法优化布局以获得最佳 EMI，一些 DC/DC 转换器会在器件级别提供大量封装和功能改进，以帮助最大限度地降低 EMI 并更容易满足 CISPR 25 5 类限制。这些特性使电路板设计与布局无关；换句话说，它们可以帮助弥补布局缺陷。

例如，扩频是一种扩展谐波能量以降低峰值和平均 EMI 测量值的最大值的功能。它通过抖动开关频率（正负某个百分比）来扩展频谱密度来做到这一点。例如，传播 ±2% 会看到谐波能量在 25次 和更高次谐波上的完全混合或重叠，而不是固定频率，这将保持谐波尖峰在基频处间隔开。能量均匀分布在较高的频率，导致测量值的包络较低，需要较少的滤波和布局优化，从而节省时间和金钱。

压摆率控制是另一个有助于提高 EMI 性能的功能。EMI 的主要来源是开关环。开关振铃是由于高边 FET 的快速导通，迅速从输入电容中拉出电流，导致输入寄生环路电感和寄生电容的谐振造成数百兆赫的振铃的低端 FET。减慢这个上升时间会减慢这个即时电流消耗，从而减少振铃和 EMI。可以通过添加与引导电容器串联的电阻器（大约几欧姆）来减慢上升时间，并且某些设备具有专用的引导电阻器引脚。这里有一个权衡：减慢 FET 的压摆可以最大限度地减少 EMI，但也会增加开关损耗，从而降低效率。

还有有助于抑制 EMI 的封装级功能。一个例子是 TI 的 HotRod 封装，它消除了内部键合线， 如图 1所示。不连续的电流会在开关节点上引起数百兆赫兹的振铃，它会耦合和辐射，从而导致 EMI。移除输入电容器不连续电流的高 di/dt 回路路径中的接合线可降低回路电感。这反过来又降低了振铃中的能量，从而降低了 EMI。HotRod 封装提供LM61460-Q1 和 LM53635-Q1 等器件。

图 1 此横截面视图允许工程师比较标准的引线键合四方扁平无引线 (QFN) 封装和 TI 的 HotRod QFN。资料来源： 德州仪器

其他封装级功能包括优化的引脚排列。器件可以通过组织引脚布局来提高 EMI 性能，从而使输入电容器等关键路径保持尽可能小。设备通常将 VIN 和 GND（或 PGND）引脚彼此相邻放置，以便为电容器连接提供最佳位置。

更进一步的是对称引脚排列。将 VIN/PGND 对称地放置在封装的任一侧可使输入环路磁场独立，从而进一步降低 EMI。许多 DC/DC 降压转换器（例如 LMR33630、  LMR36015、  LM61460和 LMQ61460-Q1 ） 具有对称的 VIN/PGND 引脚对（图 2b）。

集成输入电容器

下一代 EMI 优化封装使用集成电容器来进一步降低输入寄生电感。LMQ61460-Q1 在两侧包括两个集成输入旁路电容器，一个用于每个 VIN/PGND 对。这些电容器是横跨图 2a所示的右上角和右下角引脚对（VIN 和 PGND）的黑色矩形 。图 2b 显示了器件引脚排列以供参考。

将高频 EMI 降至最低尤为重要，因为汽车应用中常见的更高输入电压和更高输出电流会加剧该领域的问题。

图 2 X 射线图像显示了带有集成电容器的 LMQ61460-Q1 降压静音转换器 (a)，您可以将其与引脚分配参考 (b) 进行比较。资料来源：德州仪器

虽然 EMI 确实在汽车应用中提出了挑战，但如果设计工程师遇到电路板布局限制，他们也并非无计可施。有很多方法可以应对这一挑战，从战略性器件引脚排列到集成特性，如低电感封装、转换速率控制、扩频和集成电容器。

这些特性使工程师能够放宽严格的 EMI 布局优化要求，以换取全面的布局，从而为更好的热性能和/或更小的解决方案尺寸提供更多优化空间。这些功能可改进您的设计，以满怀信心地满足标准机构设定的 EMI 限制。

使用 DC/DC 降压转换器功能优化汽车设计中的 EMI – EDN

审核编辑：汤梓红