汽车电子中的EMI辐射设计要点

大家都知道,     印刷电路板   布局决定着所有电源的成败,决定着功能、电磁干扰 (E     MI   ) 和受热时的表现。     开关电源   布局不是魔术,并不难,只不过在最初设计阶段,可能常常被忽视。然而,因为功能和 EMI 要求都要必须满足,所以对电源功能稳定性有益的安排也常常有利于降低 EMI 辐射,那么晚做不如早做。还应该提到的是,从一开始就设计一个良好的布局不会增加任何费用,实际上还可以节省费用,因为无需 EMI     滤波器       机械   屏蔽、花时间进行 EMI     测试   和修改 PC 板。

此外,当为了实现均流和更大的输出功率而并联多个     DC/DC       开关   模式稳压器时,潜在的干扰和噪声问题可能恶化。如果所有稳压器都以相似的频率工作 (开关),那么电路中多个稳压器产生的总能量就会集中在一个频率上。这种能量的存在可能成为一个令人担忧的问题,尤其是如果该 PC 板以及其他系统板上其余的 IC 相互靠得很近,易于受到这种辐射能量影响时。在汽车系统中,这一问题可能尤其麻烦,因为汽车系统是密集排列的,而且常常靠近     音频       RF       CAN   总线和各种雷达系统。

 应对     开关稳压器      噪声辐射问题

在汽车环境中,常常在重视散热和效率的区域采用开关稳压器来取代     线性稳压器   。此外,开关稳压器一般是输入电源总线上的第一个有源组件,因此对整个转换器电路的 EMI 性能有显着影响。

EMI 辐射有两种类型:传导型和辐射型。传导型 EMI 取决于连接到一个产品的导线和电路走线。既然噪声局限于方案设计中特定的终端或     连接器   ,那么通过前述的良好布局或滤波器设计,常常在开发过程的早期,就可以保证符合传导型 EMI 要求。

然而,辐射型 EMI 却另当别论了。电路板上携带     电流   的所有组成部分都辐射一个电磁场。电路板上的每一条走线都是一个天线,每一个铜平面都是一个     谐振器   。除了纯正弦波或 DC 电压,任何信号都产生覆盖整个信号频谱的噪声。即使经过仔细设计,在系统接受测试之前,设计师也永远不会真正知道辐射型 EMI 将有多么严重。而且在设计基本完成以前,不可能正式进行辐射 EMI 测试。

滤波器可以在某个频率上或整个频率范围内衰减强度以降低 EMI。部分能量通过空间 (辐射) 传播,因此可增设金属屏蔽和磁屏蔽来衰减。而在 PCB 走线上 (传导) 的那部分则可通过增设铁氧体     磁珠   和其他滤波器来加以控制。EMI 不可能彻底消除,但是可以衰减到其他通信及数字组件可接受的水平。此外,几家监管机构强制执行一些标准以确保符合 EMI 要求。

采用表面贴装技术的新式输入滤波器组件的性能好于通孔组件。不过,这种改进被开关稳压器开关工作频率的提高抵消了。更快速的开关转换产生了更高的效率、很短的最短接通和断开时间,因此产生了更高的谐波分量。在开关容量和转换时间等所有其他参数保持不变的情况下,开关频率每增大一倍,EMI 就恶化 6dB。宽带 EMI 的表现就像一个一阶     高通   滤波器一样,如果开关频率提高 10 倍,就会增加 20dB 辐射。

有经验的 PCB 设计师会将热点环路设计得很小,并让屏蔽地层尽可能靠近有源层。然而,器件引出脚配置、封装构造、热设计要求以及在去耦组件中     存储   充足的能量所需的封装尺寸决定了热点环路的最小尺寸。使问题更加复杂的是,在典型的平面印刷电路板中,走线之间高于 30MHz 的磁或     变压器       耦合   将抵消所有滤波器的努力,因为谐波频率越高,不想要的磁耦合就变得越加有效。

 应对这些 EMI 问题的全新解决方案

可靠和真正应对 EMI问题的解决方案是,将整个电路放在屏蔽盒中。当然,这么做增加了成本、增大了所需电路板空间、使热量管理和测试更加困难并导致额外的组装费用。另一种经常采用的方法是减缓开关边沿。这么做会产生一种不想要的结果,这就是降低效率、增大最短接通和断开时间、产生有关的死区时间,有损于电流控制环路可能达到的速度。

    凌力尔特   不久前推出了 LT8614 Silent Switcher 稳压器,该器件无需使用屏蔽盒,却能提供想要的屏蔽盒效果,因此消除了上述缺点。参见图 1。LT8614 还具有世界级的低 IQ,工作电流仅为 2.5?A。这是该器件在无负载稳压状态时消耗的总电源电流。

 汽车电子中的EMI辐射设计要点_设计制作_制造/封装

该器件的超低压差电压仅受到内部顶端开关的限制。与其他解决方案不同,LT8614 的 RDSON 不受最大占空比和最短断开时间限制。该器件在出现压差时跳过开关断开周期,仅执行所需的最短断开周期,以保持内部顶端开关升压级电压持续提供,如图 6 所示。

同时,LT8614 的最低输入工作电压典型值仅为 2.9V (最高 3.4V),从而使该器件能在有压差时提供 3.3V 轨。在大电流时 LT8614比 LT8610/11 的效率更高,因为其总的开关     电阻   较小。该器件还可以同步至 200kHz 至 3MHz 的外部频率。

该器件的 AC 开关损耗很低,因此它能够以高开关频率工作而效率损失最小。在对 EMI 敏感的应用中 (诸如在许多汽车环境中常见的那些应用) 可以实现良好的平衡,而且 LT8614 能够在低于 AM 频带 (以实现甚至更低的 EMI) 或高于 AM 频带的频率上工作。在工作开关频率为 700kHz 的设置中,标准 LT8614 演示电路板不超过 CISPR25 - Calls 5     测量   结果的噪声层。

图 2 所示测量结果是在电波暗室和以下条件下取得的:12Vin、3.3Vout/2A,固定开关频率为 700kHz。

.  汽车电子中的EMI辐射设计要点_设计制作_制造/封装

为了比较采用 Silent Switcher 技术的 LT8614 和另一种目前最新的开关稳压器 LT8610,对 LT8614 和 LT8610 进行了测试。该测试是在 G     TE   M 单元中进行的,对两款器件的测量采用了标准演示电路板以及相同的负载、输入电压和相同的     电感器  

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