最大限度地減小在汽車環(huán)境中的 EMI
背景
印刷電路板布局決定著所有電源的成敗，決定著功能、電磁干擾 (EMI) 和受熱時的表現(xiàn)。開關(guān)電源布局不是魔術(shù)，并不難，只不過在最初設(shè)計階段，可能常常被忽視。然而，因為功能和 EMI 要求都要必須滿足，所以對電源功能穩(wěn)定性有益的安排也常常有利于降低 EMI 輻射，那么晚做不如早做。還應(yīng)該提到的是，從一開始就設(shè)計一個良好的布局不會增加任何費用，實際上還可以節(jié)省費用，因為無需 EMI 濾波器、機械屏蔽、花時間進(jìn)行 EMI 測試和修改 PC 板。
此外，當(dāng)為了實現(xiàn)均流和更大的輸出功率而并聯(lián)多個 DC/DC 開關(guān)模式穩(wěn)壓器時，潛在的干擾和噪聲問題可能惡化。如果所有穩(wěn)壓器都以相似的頻率工作 (開關(guān))，那么電路中多個穩(wěn)壓器產(chǎn)生的總能量就會集中在一個頻率上。這種能量的存在可能成為一個令人擔(dān)憂的問題，尤其是如果該 PC 板以及其他系統(tǒng)板上其余的 IC 相互靠得很近，易于受到這種輻射能量影響時。在汽車系統(tǒng)中，這一問題可能尤其麻煩，因為汽車系統(tǒng)是密集排列的，而且常常靠近音頻、RF、CAN 總線和各種雷達(dá)系統(tǒng)。
應(yīng)對開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲輻射問題
在汽車環(huán)境中，常常在重視散熱和效率的區(qū)域采用開關(guān)穩(wěn)壓器來取代線性穩(wěn)壓器。此外，開關(guān)穩(wěn)壓器一般是輸入電源總線上的第一個有源組件，因此對整個轉(zhuǎn)換器電路的 EMI 性能有顯著影響。
EMI 輻射有兩種類型：傳導(dǎo)型和輻射型。傳導(dǎo)型 EMI 取決于連接到一個產(chǎn)品的導(dǎo)線和電路走線。既然噪聲局限于方案設(shè)計中特定的終端或連接器，那么通過前述的良好布局或濾波器設(shè)計，常常在開發(fā)過程的早期，就可以保證符合傳導(dǎo)型 EMI 要求。
然而，輻射型 EMI 卻另當(dāng)別論了。電路板上攜帶電流的所有組成部分都輻射一個電磁場。電路板上的每一條走線都是一個天線，每一個銅平面都是一個諧振器。除了純正弦波或 DC 電壓，任何信號都產(chǎn)生覆蓋整個信號頻譜的噪聲。即使經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計，在系統(tǒng)接受測試之前，設(shè)計師也永遠(yuǎn)不會真正知道輻射型 EMI 將有多么嚴(yán)重。而且在設(shè)計基本完成以前，不可能正式進(jìn)行輻射 EMI 測試。
濾波器可以在某個頻率上或整個頻率范圍內(nèi)衰減強度以降低 EMI。部分能量通過空間 (輻射) 傳播，因此可增設(shè)金屬屏蔽和磁屏蔽來衰減。而在 PCB 走線上 (傳導(dǎo)) 的那部分則可通過增設(shè)鐵氧體磁珠和其他濾波器來加以控制。EMI 不可能徹底消除，但是可以衰減到其他通信及數(shù)字組件可接受的水平。此外，幾家監(jiān)管機構(gòu)強制執(zhí)行一些標(biāo)準(zhǔn)以確保符合 EMI 要求。
采用表面貼裝技術(shù)的新式輸入濾波器組件的性能好于通孔組件。不過，這種改進(jìn)被開關(guān)穩(wěn)壓器開關(guān)工作頻率的提高抵消了。更快速的開關(guān)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了更高的效率、很短的最短接通和斷開時間，因此產(chǎn)生了更高的諧波分量。在開關(guān)容量和轉(zhuǎn)換時間等所有其他參數(shù)保持不變的情況下，開關(guān)頻率每增大一倍，EMI 就惡化 6dB。寬帶 EMI 的表現(xiàn)就像一個一階高通濾波器一樣，如果開關(guān)頻率提高 10 倍，就會增加 20dB 輻射。
有經(jīng)驗的 PCB 設(shè)計師會將熱點環(huán)路設(shè)計得很小，并讓屏蔽地層盡可能靠近有源層。然而，器件引出腳配置、封裝構(gòu)造、熱設(shè)計要求以及在去耦組件中存儲充足的能量所需的封裝尺寸決定了熱點環(huán)路的最小尺寸。使問題更加復(fù)雜的是，在典型的平面印刷電路板中，走線之間高于 30MHz 的磁或變壓器型耦合將抵消所有濾波器的努力，因為諧波頻率越高，不想要的磁耦合就變得越加有效。
應(yīng)對這些 EMI 問題的全新解決方案
可靠和真正應(yīng)對 EMI問題的解決方案是，將整個電路放在屏蔽盒中。當(dāng)然，這么做增加了成本、增大了所需電路板空間、使熱量管理和測試更加困難并導(dǎo)致額外的組裝費用。另一種經(jīng)常采用的方法是減緩開關(guān)邊沿。這么做會產(chǎn)生一種不想要的結(jié)果，這就是降低效率、增大最短接通和斷開時間、產(chǎn)生有關(guān)的死區(qū)時間，有損于電流控制環(huán)路可能達(dá)到的速度。
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LT3094: 在 1MHz 具 0.8μVRMS 噪聲的負(fù) LDO
LT3094 是一款高性能低壓差負(fù)線性穩(wěn)壓器，其具有 ADI 的超低噪聲和超高 PSRR 架構(gòu)，適合為噪聲敏感型應(yīng)用供電。該器件可通過并聯(lián)以增加輸出電流和在 PCB 上散播熱量。
LTM8002：高效率、超低 EMI 降壓型電源 μModule
LTM8002 是一款 40VIN、2.5A 降壓型μModule® 穩(wěn)壓器。它內(nèi)置了開關(guān)控制器、電源開關(guān)、電感器和所有的支持性組件。該器件支持 3.4V 至 40V 的輸入電壓范圍，和 0.97V 至 18V 的輸出電壓。
具電源系統(tǒng)管理功能的超薄型 μModule 穩(wěn)壓器
LTM4686 是一款雙通道 10A 或單通道 20A 超薄型降壓 μModule 穩(wěn)壓器。該器件1.82mm 的高度使之可放置到非常靠近負(fù)載 (FPGA 或 ASIC) 的地方，從而共用一個散熱器。其 PMBus 接口使用戶能改變主要的電源參數(shù)。
