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单热回路 or 双热回路?ADI工程师这样选

汽车应用电路必须满足严格的EMI标准,以避免干扰广播和移动服务频段。在很多情况下,Silent Switcher®和Silent Switcher 2解决方案在满足这些标准方面可以发挥重要作用。但是,在任何情况下,都必须要精心布局。本文专门讨论4开关降压-升压型控制器的两种可能解决方案,并比较EMI室的测量结果。

4开关降压-升压转换器将降压和升压控制器结合在单个IC中,当输出低于输入时,转换器用作降压器;当输出高于输入时,转换器用作升压器。在输出和输入接近的区域中,所有四个开关都可以工作。

功率产品研究团队利用ADI公司位于加州圣克拉拉的内部EMI室,对原始双热回路同步布局的有效性进行了研究,看看能否使用替代布局来降低EMI噪声以通过EMI标准。

双热回路布局要求将热回路陶瓷电容对称放置在功率MOSFET周围,以遏制EMI噪声。ADI公司独特的检测电阻位置——在电感旁边且在热回路外部——使得这些回路可以非常小,从而最大限度地降低热回路的天线效应。为了实现这种对称性并使开关节点能够到达附近的电感,需要开关节点过孔,而这可能会影响热回路区域。研究团队利用符合CISPR 25标准的EMI室发现,裸露的开关节点和较大热回路面积会产生干扰性传导EMI,尤其是在>30 MHz(FM无线电频带)时,这是最难衰减的频率范围。

对于具有单个热回路的原始降压-升压布局,通过重新布置功率MOSFET和热回路电容可以改善其最小热回路。这种布局称为单热回路,与之相对应的是双热回路。使用单个热回路的好处是不仅开关损耗较小,而且能够衰减>30 MHz的传导发射(CE),因为热回路面积和开关节点的裸露部分已最小化。其有效性已通过如下方式得到验证:使用相同的控制器IC和相同的功率器件,比较新布局与双热回路布局的EMI噪声。实验使用了一个4个开关降压-升压控制器 LT8392及其两种版本的演示电路(DC2626A rev.2和rev.3)。

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  • EMI比较

    双热回路和单热回路的EMI是在符合CISPR 25标准的EMI室中测量,结果显示于图3中。图3还给出了CISPR 25 Class 5标准限值。EMI结果绘制在同一图中以比较差异,双热回路用黄线标示,单热回路用红线标示。灰线是在环境条件下测得的本底噪声。如图4所示,双热回路的底层的裸露开关节点用铜带屏蔽接地,以显示该较小热回路的效果如何。没有铜屏蔽的双热回路的辐射远高于图3中的结果。输出为12 V、8 A,输入电压设置为13 V,以使电路工作在4开关切换模式。

    图3.双热回路和单热回路的EMI比较曲线:(a) 电压法传导发射峰值和均值,(b) 电流探针法传导发射50 mm峰值和均值,(c) 电流探针法传导发射750 mm峰值和均值,(d) 辐射发射垂直峰值和均值。

    图3(a)分别显示了电压法传导发射的峰值和均值。单热回路在30 MHz以上的CE要低5 dBμV,满足CISPR 25 Class 5标准对峰值和均值CE的要求,而双热回路在FM和VHF频段(68 MHz至约108 MHz)的均值有过冲,如黄色高亮框所示。

    请注意,在该频率范围内降低5 dbμv非常有挑战性。单热回路不仅在30 MHz的高频范围(这是最难衰减的区域)有效,在包括AM频段(0.53 MHz至约1.8 MHz)的低频(<2 MHz)范围也有效。辐射总是越低越好,尤其是当其为CE时,因为这会影响所有电连接的系统。

    电流探针方法是CISPR 25 Class 5指定的另一种测量方法。它在距离DUT 50 mm和750 mm的两个不同位置测量共模传导发射,而电压方法测量共模和差模的混合传导发射。图3(b)和3(c)比较了双热回路和单热回路的电流探针法传导发射。结果表明,单热回路在30 MHz以上(尤其是FM频段)具有更低的传导发射,如黄色高亮框所示。与电压法传导发射不同,在AM频段周围的低频处,单热回路相对于双热回路没有显着优势。

    图4.双热回路的底层的屏蔽开关节点

    最后,图3(d)显示了两种不同降压-升压布局的辐射发射(RE)。结果几乎相同,不过双热回路的尖峰在大约90 MHz时,比单热回路高5 dbμv/m。

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  • EMI比较

    双热回路和单热回路的EMI是在符合CISPR 25标准的EMI室中测量,结果显示于图3中。图3还给出了CISPR 25 Class 5标准限值。EMI结果绘制在同一图中以比较差异,双热回路用黄线标示,单热回路用红线标示。灰线是在环境条件下测得的本底噪声。如图4所示,双热回路的底层的裸露开关节点用铜带屏蔽接地,以显示该较小热回路的效果如何。没有铜屏蔽的双热回路的辐射远高于图3中的结果。输出为12 V、8 A,输入电压设置为13 V,以使电路工作在4开关切换模式。

    图3.双热回路和单热回路的EMI比较曲线:(a) 电压法传导发射峰值和均值,(b) 电流探针法传导发射50 mm峰值和均值,(c) 电流探针法传导发射750 mm峰值和均值,(d) 辐射发射垂直峰值和均值。

    图3(a)分别显示了电压法传导发射的峰值和均值。单热回路在30 MHz以上的CE要低5 dBμV,满足CISPR 25 Class 5标准对峰值和均值CE的要求,而双热回路在FM和VHF频段(68 MHz至约108 MHz)的均值有过冲,如黄色高亮框所示。

    请注意,在该频率范围内降低5 dbμv非常有挑战性。单热回路不仅在30 MHz的高频范围(这是最难衰减的区域)有效,在包括AM频段(0.53 MHz至约1.8 MHz)的低频(<2 MHz)范围也有效。辐射总是越低越好,尤其是当其为CE时,因为这会影响所有电连接的系统。

    电流探针方法是CISPR 25 Class 5指定的另一种测量方法。它在距离DUT 50 mm和750 mm的两个不同位置测量共模传导发射,而电压方法测量共模和差模的混合传导发射。图3(b)和3(c)比较了双热回路和单热回路的电流探针法传导发射。结果表明,单热回路在30 MHz以上(尤其是FM频段)具有更低的传导发射,如黄色高亮框所示。与电压法传导发射不同,在AM频段周围的低频处,单热回路相对于双热回路没有显着优势。

    图4.双热回路的底层的屏蔽开关节点

    最后,图3(d)显示了两种不同降压-升压布局的辐射发射(RE)。结果几乎相同,不过双热回路的尖峰在大约90 MHz时,比单热回路高5 dbμv/m。

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