为汽车和工业设计低EMI应用

在最近的新闻发布会上，德州仪器 (TI) 谈到低电磁干扰 (EMI) 是电源管理的主要趋势，因为它可以最大限度地减少 电源 对其他系统组件的干扰，并简化工程师的设计和认证流程。

TI 升压和多通道 DC/DC 副总裁兼总经理 Cecelia Smith 和宽 V IN 降压开关稳压器产品线经理 Ganesh Srinivasan 谈到如何满足行业 EMI 标准以及降低传导和辐射发射是关键关注为汽车和工业应用设计电源系统的工程师。增加电子内容以及提高 DC-DC 解决方案的开关速度对电源设计人员提出了新的挑战。

用于电源管理的新封装和新半导体创新以及新建模技术的开发为降低 EMI 提供了许多工具。减小低 EMI 电源设计的尺寸、减少元件数量和无源滤波器的成本至关重要。这也有助于减少设计时间和复杂性。

EMI 滤波
从事低 EMI 应用的设计人员通常面临两个重大挑战：需要降低其设计的 EMI，同时减小电源解决方案的尺寸。

在需要电磁兼容性的系统中，充当电磁源的组件的设计方式可以减少开关辐射。EMI 是作为开关电流和电压的有害副产品而产生的电磁能。降低 EMI 的传统方法包括使用无源和有源滤波器（图 1）。

无源滤波器往往体积庞大，从而产生大型电源解决方案。无源滤波采用电感和电容进行滤波，而有源滤波采用模拟电路产生反相电流。有源 EMI 滤波 (AEF) 旨在减小电源解决方案的尺寸，从而降低成本，同时提供满足行业要求的 EMI 性能。图 2 显示了两个重要的例子；有源部分采用运算放大器电路（op-amp）作为电容倍增器来代替无源设计中的滤波电容（C F）。阻抗使用相对较低的电容值和较小的组件占位面积。

图 1：开关模式电源中的 EMI 源示例（来源：TI）

图 2：传统的无源滤波 (a) 和有源滤波 (b) 电路实现（来源：TI）

图 3 比较了图 1 中无源和有源滤波器级的印刷电路板 (PCB) 布局。电感器占位面积从 5 × 5 mm 减小到 4 × 4 mm。另外，将两个1210电容换成几个小值稳定的0402元件，用于检测、注入、AEF补偿。集成的有源 EMI 滤波器将解决方案的占地面积减少了近 50%，而体积减少了 75% 以上。

图 3：无源 (a) 和有源 (b) 滤波器设计的 PCB 布局尺寸比较（来源：TI）

具有集成有源 EMI 滤波器的 DC/DC 降压控制器

在简报中，演讲者重点介绍了 TI 的具有集成有源 EMI 滤波器的 DC/DC 降压控制器 LM25149-Q1 和 LM25149，可以检测设备输入端的噪声或纹波电压，并提供与该噪声异相的信号以将其抵消，从而提高 EMI 性能。“该设备包括另一项革命性技术，双随机扩频 [DRSS]，它建立在我们之前的伪随机创新之上，以进一步增强技术并提高我们设备的性能，”TI 表示。“因此，在有源 EMI 滤波器和 DRSS 技术之间，该器件可以帮助电源设计人员通过减小滤波器尺寸实现每微伏高达 55 dB 的改进。”

减小过滤器尺寸是一个主要好处，尤其是随着汽车和工业领域电子产品的增加。“在我们的另一款旗舰低 EMI 器件 LMQ61460中，我们集成了旁路电容器，有助于降低开关回路寄生电感并提高 EMI 性能，”TI 表示。“与集成旁路电容器相结合的另一个独特之处是我们的 HotRod 封装，它具有非常优化的引脚排列，因此工程师可以从器件中获得最佳的 EMI 性能。”

降低电源中的 EMI 是一项日益严峻的设计挑战，尤其是随着高级驾驶辅助系统、信息娱乐和汽车集群中电子含量的增加。确保设计符合传导 EMI 规范的传统方法包括增加外部无源 EMI 滤波器的尺寸，这反过来又会增加电源解决方案的整体尺寸。通过将有源 EMI 滤波集成到 LM25149-Q1 和 LM25149 降压控制器中，TI 使工程师能够在提高设计功率密度的同时满足 EMI 标准（图 4）。

图 4：LM25149-Q1 的典型应用原理图（来源：TI）

保持电源中的低 EMI 和实现小型解决方案在开关电源设计中通常是矛盾的。LM25149-Q1 和 LM25149 降压控制器使工程师能够满足严格的 EMI 标准，并通过减小无源 EMI 滤波器的面积和体积来减小解决方案的尺寸。与竞争解决方案相比，工程师可以最大程度地节省 440kHz 前端 EMI 滤波器近 50% 的面积和超过 75% 的体积。通过减少无源元件的滤波负载，集成 AEF 减小了它们的尺寸、体积和成本，使工程师能够实现尽可能小的低功耗 EMI 设计。

审核编辑：汤梓红