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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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  • 热比较

    图5显示了双热回路和单热回路的热比较。热图像是在9.4 V输入电压和SSFM开启的情况下测得。9.4 V是4开关工作区域的最低点,此后工作模式切换到输出电压为12 V的2开关纯升压模式。因此,测试条件最为恶劣。双热回路的最热元件、升压侧底部MOSFET和单热回路的温度几乎相同。虽然单热回路的底层没有可以散热的开关节点通孔和铜,但由于热回路较小,其开关损耗低于双热回路。另外,不使用开关节点过孔使得单热回路的顶层能够更好地散热,因为MOSFET漏极焊盘和开关节点铜的接触面积大于双热回路的接触面积。

    结论

    新的高功率设计建议使用新型单热回路降压-升压布局。由于开关节点的裸露部分和热回路面积极小,单热回路具有降低传导和辐射发射的明显优势,而不存在任何散热缺点。值得注意的是,它能降低30 MHz以上的传导发射,这是最难衰减的频率区域。由于ADI公司的4开关降压-升压控制器(LT8390/LT8390ALT8391/LT8391ALT8392LT8393LT8253等)具备专有峰值降压/峰值升压电流模式控制特性,因此热回路可以做得比竞争器件的热回路小很多。该控制特性导致效率更高而EMI更低,使得ADI公司的4开关降压-升压控制器成为汽车应用或任何EMI敏感应用的出色选择。

    图5.(a) 双热回路的热图像,(b) 单热回路的热图像。

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  • 热比较

    图5显示了双热回路和单热回路的热比较。热图像是在9.4 V输入电压和SSFM开启的情况下测得。9.4 V是4开关工作区域的最低点,此后工作模式切换到输出电压为12 V的2开关纯升压模式。因此,测试条件最为恶劣。双热回路的最热元件、升压侧底部MOSFET和单热回路的温度几乎相同。虽然单热回路的底层没有可以散热的开关节点通孔和铜,但由于热回路较小,其开关损耗低于双热回路。另外,不使用开关节点过孔使得单热回路的顶层能够更好地散热,因为MOSFET漏极焊盘和开关节点铜的接触面积大于双热回路的接触面积。

    结论

    新的高功率设计建议使用新型单热回路降压-升压布局。由于开关节点的裸露部分和热回路面积极小,单热回路具有降低传导和辐射发射的明显优势,而不存在任何散热缺点。值得注意的是,它能降低30 MHz以上的传导发射,这是最难衰减的频率区域。由于ADI公司的4开关降压-升压控制器(LT8390/LT8390ALT8391/LT8391ALT8392LT8393LT8253等)具备专有峰值降压/峰值升压电流模式控制特性,因此热回路可以做得比竞争器件的热回路小很多。该控制特性导致效率更高而EMI更低,使得ADI公司的4开关降压-升压控制器成为汽车应用或任何EMI敏感应用的出色选择。

    图5.(a) 双热回路的热图像,(b) 单热回路的热图像。

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