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还在发愁如何使用电源模块简化低EMI设计?TI 有办法!

2018-10-17
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在设计开关电源时,您可能听说过电磁干扰(EMI)


越来越多的应用必须通过EMI标准,制造商才获得商业转售批准。开关电源意味着器件内部有电子开关,EMI可通过它产生辐射。


在本文中,我们将介绍开关电源中EMI的来源以及降低EMI的方法或技术。本文还将向您展示电源模块(控制器、高侧和低侧FET及电感器封装为一体)如何帮助降低EMI。



开关电源中EMI的来源

首先,必须尊重物理定律。根据麦克斯韦方程组,交流电可产生电磁场。每个电导体中均会出现这种现象,其自身带有一些可以形成振荡电路的电容和电感。该振荡电路以特定频率(f=1/(2*π*sqrt(LC)))将电磁能辐射到空间中。该电路充当电磁能的发射器,但也可以接收电磁能并充当接收器。天线设计是为了最大化传输或接收能量。


但并非每个应用都应该像天线一样,而且这种设计可能会产生负面影响。例如,开关降压电源设计用于将较高的电压转换为较低的电压,但它们同时也充当了(有害的)电磁波发射器,可能干扰其他应用,例如干扰AM频段。这种效应称为EMI。


为了确保功能正常运行,最大限度地减少EMI源非常重要。国际无线电干扰特别委员会(CISPR)定义了各种标准,如作为汽车电气应用基准的CISPR 25,以及针对信息技术设备的CISPR 22。


如何降低电源设计的EMI辐射呢?一种方法是用金属完全屏蔽开关电源。但在大多数应用中,由于成本和空间的原因,这种方法无法实现。一种更好的方法是减少和优化EMI源。许多文献已经详细讨论了这一专题;本文推荐了两种方式。


让我们回顾一下开关电源中EMI的主要来源,以及为什么电源模块可以帮助您轻松降低EMI。


减小布局中的电流环路

顾名思义,开关电源是用来进行转换的。它们的作用是以几百千赫到几兆赫的频率打开和关闭输入电压。这就导致了快速电流转换(dI/dt)和快速电压转换(dV/dt)。根据麦克斯韦方程组,交流电流和电压产生交变电磁场。这些电磁场从其原点径向扩散,它们的强度随距离而降低。



磁场和电场会干扰应用的导电部件(例如,印刷电路板[PCB]上的铜迹线,就像天线一样)并在线路上产生额外的噪声,这样又会导致发生EMI(见图1)。实际上几瓦功率的转换就会扩大EMI的辐射范围。


图4.引脚排列有助于减小环路面积。

左图:优化的引脚排列;

右图:非优化布局,几乎无法形成良好的布局。


辐射的电磁能与其流过的电流量(I)和环路面积(A)成正比。减小交流电流和电压环路的面积有助于降低EMI(见图2和图3)。


着眼于引脚排列(见图4)可以帮助您通过减小高dI/dt环路面积来更好地设计良好布局。例如,开关节点能够引发高电流变化(dI)和高电压转换(dV)。良好的引脚排列可以分离噪声敏感引脚和噪声引脚。开关节点和启动引脚应尽可能远离噪声敏感型反馈引脚。此外,输入引脚和接地引脚应相邻。这样便简化了PCB上的布线和输入电容器的放置。


图5显示了LMR23630 SIMPLE SWITCHER®转换器的改进评估模块(EVM)。两个输入电容器距离输入引脚约2.5厘米。之所以如此排列,是为了模拟不良布局,因为电流环路区域(图5中的红色矩形)比数据表所要求和建议的要大。图5中的椭圆形红色形状表示转换器和电感器之间的开关节点。IC和电感器之间的环路面积越小越好。


图5.输入引脚和输入电容器之间

环路面积(红色矩形)较大的错误布局示例。

在IC和电感器之间

形成第二个环路区域(椭圆形红色形状)。


图6中的曲线图显示了LMR23630转换器的EMI辐射,其中只有VIN、GND和输入电容器之间形成的环路面积不同。良好的布局中电容器尽可能靠近输入引脚和接地引脚(环路面积尽可能地小)。而不良的布局中输入电容器距离输入引脚2.5厘米,从而形成一个较大的环路面积。


图6.LMR23630转换器输入电容布局对EMI辐射的影响。


图6中曲线图的红线表示不良布局的EMI辐射。蓝线表示采用相同EVM的良好布局的EMI辐射。修改一个环路面积会产生巨大的影响。LMR23630转换器的EMI辐射水平可降低20 dBμV/m以上。


图7.不同类型电源模块的内部组成。

在这两种情况下,电感器均位于IC晶片的顶部。


因此,在采用降压转换器或降压电源模块进行设计时,如何放置输入电容器应该是首要考虑因素之一。电源模块还具有以下优点:电感器和IC之间的关键环路面积已经过优化。电感器在封装内部与集成电路连接(见图7)。这种放置方式会在封装内部形成一个较小的环路区域。因此,不必将噪声开关节点布线在印刷电路板上。


电源模块中屏蔽了其中的大多数电感器,以防止来自线圈的电磁辐射。在非常靠近电感器的地方会发生高电流电压转换,并且开关节点的一部分电磁场受到屏蔽,电感器位于引线框架的顶部(见图7)。


快速的电压和电流瞬变

快速瞬变会导致开关节点发生振铃,从而产生EMI。在某些情况下,转换器可连接至启动引脚。将一个电阻器与启动电容器串联放置会增加上升时间(dt),在降低EMI的同时损失了效率。


图8.将启动电阻器添加到

LMR23630转换器开关节点的影响。

EMI辐射较低,但由于开关损耗较高,

因此效率有所降低。


图8显示了LMR23630 EVM的EMI辐射扫描。对布局进行更改后,将输入电容器放在距引脚约2.5厘米远的位置,以模拟不良布局,并展示启动电容器的放置将如何影响EMI特性。在设计中多放一个启动电容器可能比完全改变布局更容易。建议您在设计时始终将启动电容器考虑进去,以备不时之需。如果没有,您可以使用0Ω电阻器来减少PCB上的空间。


将启动电阻器与启动电容器串联可以降低EMI频谱。某些频率范围中的发射会降低达6dB。图8还显示了效率平衡情况。使用30.1Ω的电阻器缩短上升时间dt,从而将效率降低1%以上。


看一下功率损耗就更能说明这一点。满载(3A)的功率损耗从1.9W增加到2.1W。功率损耗超过10%时,可能会导致散热问题。


在开关节点引脚和接地引脚之间放置一个小型肖特基二极管可以降低反向恢复电流,从而降低同步转换器中的开关节点电流振铃dI,但这样会提高物料清单(BOM)成本。或者,您可以添加一个缓冲网络,其中包含一个位于开关节点与接地之间的额外的大封装电容和电阻。缓冲器可消耗开关节点振铃的能量,但需要知道附加组件的振铃频率和正确计算。这种方法同样会降低开关电源的效率。


电流路径中的寄生电感和电容

对于同步降压转换器,每个IC架构会产生不同强度的噪声,表现为EMI辐射。但很难从数据表中找到这一项。大多数数据表都没有提供EMI图,因为PCB布局、BOM组件和其他因素会对EMI特性产生影响。幸运的话,EVM用户指南会提供此特定设计的EMI特性图。但如果您的设计与EVM的布局和BOM不匹配,您所设计的应用的EMI特性可能会有很大差异。电源模块简化了布局,实现了快速简便的设计,因为您只需要考虑一些经验法则。例如,尽量减少接地平面中的迹线或切口数量;必要时,将其设计为与电流方向保持平行(图9)。


图9.PCB中的切口和迹线会影响电流,

因此也会影响辐射EMI。


保护噪声敏感节点免受噪声节点的影响

尽可能缩短噪声敏感节点,并远离噪声节点。例如,从电阻分压网络到反馈(FB)引脚的长迹线可以充当天线并捕获电磁辐射干扰的噪声(图10)。这种噪声会被引入FB引脚,致使输出端产生额外的噪声,甚至使器件不稳定。在设计开关降压调节器的布局时,将这一切都考虑在内是一个挑战。


噪声敏感节点

噪声节点

反馈引脚

开关节点

频率设定

电感器

补偿网络

高dI/dt电容器

传感路径等

FET、二极管等

表1.降压转换器中噪声敏感节点和噪声节点的示例。


图10.始终将FB引脚上的电阻分压器

尽可能靠近FB引脚放置。


模块的优势在于将噪声敏感节点和噪声节点保持在最低限度,从而最大限度地减小错误布局的几率。唯一要注意的是保持FB引脚的迹线尽可能短。


结论

在开关降压转换器中有许多用来调节EMI的旋钮,但用来实现最佳方案可能还不够方便。找到最佳配置会花费大量宝贵的设计时间。电源模块早已包括FET和电感器,这就使得创建和完成具有良好EMI特性的电源设计变得简单而又快捷。使用降压模块进行设计时最关键的一点是一些外部元件的放置方式,这有助于显著提高EMI特性。


转换器和电源模块的EMI比较

前文说明了开关电源中EMI的来源以及如何降低EMI。现在,本文将通过比较转换器和使用相同集成电路(IC)的电源模块之间的测量结果,来演示模块如何帮助减轻EMI辐射。两者均来自TI的SIMPLE SWITCHER产品线,转换器为LMR23630,电源模块为LMZM33603,采用LMR23630 IC。本人对两个器件的EVM做了部分更改,以获得相同的BOM数,因此结果仅取决于所选部件(转换器或电源模块)和布局。两种EVM均具有良好的优化布局。之后,本人将电容器放置在远离输入引脚的位置,就生成了不良布局。


LMR23630转换器的性能

图11.具有不同输入电容布局的

LMR23630转换器的EMI辐射。


图11显示了不同设计布局的四种不同EMI频谱。设计布局从优至劣排列(类似于图5,只是把各步骤分开)。第一次测量(良好布局/蓝线)时,未对EVM的布局做出更改(良好布局中所有的输入电容器都非常靠近输入引脚)。第二次测量(小电容器靠近/红线)时,两个4.7μF电容器均放置在距输入引脚2.5厘米处。0.22μF的小电容器非常靠近输入引脚。在第三(小电容器远离/绿线)和第四(无小电容器/紫线)次测量时,小电容器分别距输入引脚2.5厘米,然后完全移除。


您可以在图11中看到输入电容器的放置非常关键。将小输入电容器远离输入引脚放置或将其完全移除会违背CISPR 22 A3M级标准。将小电容器靠近输入引脚放置可以最大限度地减少高频环路面积。小电容器可滤除高频噪声,而较大电容的电容器可滤除低频噪声。


电源模块的封装中通常包含一个小输入电容器。让我们看看布局不良时电源模块的性能。


LMZM33603电源模块的性能

图12显示了电源模块的EVM布局,同样从优至劣排列。蓝线表示未更改EVM的EMI辐射。红线和绿线表示不良布局,其中一条线有两个4.7μF输入电容器,位于PCB底部下方(红线)。绿线的电容器距输入引脚约3.5厘米(图13中以红色椭圆形突出显示)。图13中的红色粗线还显示了更改后的EVM,以及VIN、输入电容器和接地之间形成的关键环路区域。EMI特性变差,但并不违背CISPR 22 A3M级标准。


图12.TI LMZM33603电源模块的EMI辐射特性


图13.TI LMZM33603电源模块的不良布局示例。


电源模块可以补救布局设计错误

图14在单个图表中对LMR23630转换器(红线)和LMZM33603电源模块(蓝线)做出了对比。两者均有类似的不良布局,所有外部输入电容器都远离输入引脚。


显然,LMZM33603电源模块的EMI辐射特性要优于LMR23630转换器。尽管两种布局均不完美,但电源模块会通过CISPR测试,而转换器无法通过测试。


图14.比较TI LMR23630转换器

和LMZM33603电源模块的EMI特性


结论

正如前文所说,为开关电源创建良好的布局设计具有挑战性。即使是经验丰富的工程师也容易犯错,例如输入电容器的放置位置不当。


电源模块更有利于减少设计布局错误。在满足EMI特性方面,它们是开关电源的理想选择,并且对高效利用设计时间至关重要。

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