【導讀】在電子設備設計中，高壓異步升壓控制器的電磁干擾（EMI）問題一直是工程師們關注的焦點。許多人認為，只有采用集成度極高的芯片方案才能有效降低輻射，然而事實并非如此。本文將通過實際案例與深入分析，揭示即便使用帶有分立電源開關和續流二極管的控制器產品，也能通過優化PCB布局和精準控制開關邊緣速率，實現出色的低輻射表現，輕松滿足嚴格的電磁兼容標準。此外，文章還將分享兩個成功通過CISPR 25 5類輻射測試的參考設計，為工程師提供可借鑒的實戰經驗。
摘要
在電子設備設計中，高壓異步升壓控制器的電磁干擾（EMI）問題一直是工程師們關注的焦點。許多人認為，只有采用集成度極高的芯片方案才能有效降低輻射，然而事實并非如此。本文將通過實際案例與深入分析，揭示即便使用帶有分立電源開關和續流二極管的控制器產品，也能通過優化PCB布局和精準控制開關邊緣速率，實現出色的低輻射表現，輕松滿足嚴格的電磁兼容標準。此外，文章還將分享兩個成功通過CISPR 25 5類輻射測試的參考設計，為工程師提供可借鑒的實戰經驗。
引言
許多汽車和工業應用的目標是降低開關模式電源(SMPS)的輻射。SMPS因噪聲大且難以滿足CISPR輻射標準而廣為人知。在過去十年里，我們一直努力降低SMPS的輻射，最終率先開發出一款異步升壓控制器IC（外部電源開關），側重于輕松地大幅減少電磁干擾(EMI)。
單芯片開關十分便捷，適用于DC-DC轉換器應用。由于集成了電源器件、控制環路和其他功能，單芯片開關只需要極少的外部元件。雖然電源開關的集成簡化了電路板設計和布局，但不使用外部電源開關時，輸出功率會降低。集成開關具有緊湊的熱回路和更低的輻射，將所有高功率損耗集中在IC封裝的有限空間內。這可能會帶來熱性能方面的難題，特別是在高功率、高頻率或高電壓系統中。許多應用所需的功率水平超出了單芯片能夠提供的水平，高達50 W。因此，驅動外部功率FET的控制器IC仍然必不可少。
圖1.適用于LT8357的EVAL-LT8357-AZ高性能、低EMI評估板。
圖2.EVAL-LT8357-AZ熱回路示意圖。
為滿足市場對于低輻射升壓轉換器的不斷增長的需求，我們開發了新型升壓控制器。這款異步控制器能夠驅動單個高電壓電源開關，而且用途廣泛，可用作升壓和單端初級電感轉換器(SEPIC)。尤其是汽車應用，正好需要寬輸入電壓范圍、低靜態電流和擴頻特性。LT8357為工業、汽車和電池供電系統提供簡單、緊湊且高效的解決方案（參見圖1）。
近年來，ADI公司投入巨大精力，不斷突破技術界限，以降低開關轉換器的輻射。Silent Switcher?技術的推出意味著達到了理想的低輻射水平。2020年，首款Silent Switcher單芯片升壓轉換器LT8336發布。Silent Switcher IC是集成了同步電源開關的單芯片轉換器。這些IC將多種技術相結合（包括集成或減少熱回路），以最大限度降低因切換熱回路產生的輻射。1
Silent Switcher架構是實現低輻射的一種方法，但并不是唯一的方法。單芯片異步轉換器僅將一個電源開關集成到IC硅片或封裝中，也能實現低輻射。2
布局非常重要！
要在SMPS轉換器，尤其是控制器IC中實現低輻射，PCB布局是關鍵。與提供開關集成以幫助降低輻射的單芯片解決方案不同，控制器IC還需要考慮其他因素，從而最大限度降低輻射并滿足CISPR標準。本文提供相關技巧以實現性能最大化，其中圖7提供有關最佳輻射布局的指導，圖8至圖10展示了利用不當技術修改的布局。
圖3.EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類傳導電壓輻射，分別采用理想的PCB布局(A)與大熱回路(B)。
圖4.EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類傳導電壓輻射，分別采用理想的PCB布局(A)與擴大的開關節點平面(C)。
圖5.EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類傳導電壓輻射，分別采用理想的PCB布局(A)與帶過孔的SW節點(D)。
圖6.EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類電磁輻射騷擾，分別采用理想的PCB布局(A)與帶過孔的SW節點(D)。
熱回路管理
異步開關模式升壓轉換器需要使用主開關和輸出續流二極管。相比之下，同步轉換器使用兩個柵極驅動器和電源開關，通過控制邏輯實現同步，以最大限度減少潛在續流二極管（異步）傳導損耗。然而，同步轉換器更加復雜，比如，要求柵極定時以防止直通電流，并且高端柵極驅動器需要額外的硅空間（和成本）。異步轉換器僅需要單個柵極驅動器，并且電源開關和續流二極管之間不需要消隱時間。
然而，這兩個組件之間的大電流開關動作可能會給低EMI轉換器造成難題。為了緩解潛在問題，最佳做法是盡量減少升壓轉換器中的熱回路。熱回路包含三個組成部分：主開關、續流二極管（或同步開關）和輸出電容。通常情況下（與LT8357一樣），峰值開關電流檢測電阻也是熱回路的一部分（參見圖2）。在SEPIC配置中，熱回路中還包含兩個繞組之間的耦合電容。大熱回路會在大電流開關路徑中引入額外的走線電感。額外的電感可能會導致相應節點上出現電壓尖峰，成為重要的輻射源。圖3顯示了熱回路管理如何幫助減少傳導電壓測試中的一些輻射。
圖7.EVAL-LT8357-AZ最佳布局(A)。
圖8.EVAL-LT8357-AZ大熱回路(B)。
圖9.EVAL-LT8357-AZ大SW節點平面(C)。
圖10.EVAL-LT8357-AZ帶過孔的SW節點(D)。
縮小開關節點平面
在開發低EMI電路板時，縮小開關節點平面的尺寸是另一個重要考慮因素。開關節點平面由開關的漏極、電感的一端及續流二極管的陽極組成。通過大開關節點平面增加熱傳導的表面積雖然可能很有吸引力，但這會導致輻射增加。圖4顯示了縮小開關節點平面如何有助于減少特定區域的傳導電壓輻射。
使開關節點平面保持在同一層
無論何時，盡可能使開關節點平面保持在單一層至關重要。有時，由于尺寸限制，設計人員可能會將電感放置在一側，將開關放置在另一側。然而，這就要求開關節點平面通過一些過孔，遍歷到另一個層，然后再回來。雖然這種方法可以節省電路板板空間，但會導致輻射增加。開關節點上的過孔可能會起到附加天線的作用，發出噪聲和其他輻射，這可通過用于測量輻射的天線輕松檢測到。圖5和圖6詳細展示了開關節點上的過孔產生的輻射。
通過展頻(SSFM)實現高達2 MHz的開關頻率
隨著器件不斷縮小并將更多功能和功率要求整合到更小的面積中，對減少電路板面積的需求日益增長，首當其沖的就是電源。電感通常是最大的元件，在減少電路板面積的過程中成為一大難題。有充分證據表明，在開關轉換器中，所需電感與開關頻率成反比。例如，對于200 kHz，如果設計需要10 μH電感，那么在2 MHz時，相同功率要求將僅需1 μH電感。LT8357提供高達2 MHz的開關頻率靈活性，允許顯著減小電感尺寸，從而縮小開關節點。尺寸縮小可能有利于降低輻射。
2 MHz開關頻率還帶來了另一個重要優勢。CISPR 25施加了從530 kHz到1.8 MHz的限制，被稱為MW頻段，其中包含AM射頻頻段。為了符合規定，建議避免將開關頻率設置在此范圍內。通過使用2 MHz的開關頻率，能夠完全避開MW頻段，為實現合規提供一些裕度。輻射圖的基波頻率在2 MHz時精確對準，后續諧波則出現在更高的頻率上。這樣便無需使用龐大的低頻濾波器來衰減低于頻率CISPR下限的輻射。
在某些情況下，盡管做了努力，但基波頻率和諧波仍可能會超出限值。為解決這一問題，ADI推出了具有SSFM特性的升壓控制器。SSFM特性對于通過CISPR 25輻射標準至關重要。利用三角擴頻技術，這款IC可將開關頻率智能地擴展至高于設定頻率19%。這種擴頻技術有助于降低最小和最大頻率下的輻射峰值。圖11顯示了內置SSFM功能如何影響輻射頻譜，從而幫助降低輻射以滿足CISPR標準。
圖11.LT8357 2 MHz電路板在SSFM開啟和關閉時的最大平均輻射EMI。
分離柵極驅動器和開關節點邊沿速率控制
在每個周期內，開關節點都會經歷從0 V到VOUT的變遷（上升和下降），因此產生了大量高頻輻射。在單芯片轉換器中，IC設計決定開關節點的上升和下降特性，用戶無法控制這些因素。幸運的是，許多單芯片轉換器可通過控制開關邊緣行為來最大限度減少輻射。
對于控制器而言，開關是外部的，控制器提供柵極驅動信號來控制外部開關。良好的控制器能夠精確控制開關的導通，從而有效管理開關漏極的上升和下降。適當控制開關的上升和下降可以大幅減少高頻電磁輻射。此外，使用柵極電阻（通常約為5 Ω）可以進一步降低高頻率下的電磁輻射，但代價是效率降低。由于導通和關斷較慢，這種權衡取舍會產生額外的開關損耗。
LT8357引入了獨特的分離柵極驅動器特性。以前，用戶只能通過單個電阻來控制柵極的導通和關斷。新的分離柵極驅動器支持對柵極的導通和關斷進行精確、獨立的控制。實驗發現，柵極導通產生的電磁輻射明顯大于關斷的時候。精確控制減慢哪個邊沿的速率，可帶來顯著優勢。通過在上拉時插入柵極電阻，并在下拉時忽略柵極電阻，可以大幅降低輻射同時保持高效率。
邊沿速率和開關輻射
圖12比較了不同柵極電阻之間的EVAL-LT8357-AZ輻射。根據圖12，柵極電阻主要影響400 MHz至500 MHz范圍內的輻射。
圖12.具有不同柵極電阻組合的EVAL-LT8357-AZ的最大平均電磁輻射。藍色：RP = RN = 5.1 Ω，淺藍色：RP = 5.1 Ω，RN = 0 Ω，紫色：RP = RN =0 Ω，紅色：RP = 0 Ω，RN = 5.1 Ω
據觀察，上拉電阻對降低輻射的影響比下拉電阻更為顯著，下拉電阻帶來的影響極小。因此，為了優化功率損耗并降低輻射，建議使用小型 5 Ω電阻作為上拉電阻，且下拉電阻無阻值或短路。
例如，EVAL-LT8357-AZ使用5.1 Ω上拉電阻，不使用下拉電阻。
圖13.具有不同上拉柵極電阻的2 MHz LT8357升壓控制器的最大平均電磁輻射。12 VIN至24 VOUT，2 A。
減小功率損耗
表1顯示了帶有短路輸入和輸出EMI濾波器的2 MHz、12 V輸入至24 V、2 A輸出升壓轉換器的效率差異。數據顯示，通過將RN電阻減小至0 Ω，可實現最佳省電效果。開關功率損耗公式如下：
表1.配備不同柵極電阻的LT8357 2 MHz升壓轉換器的效率比較：12 VIN至24 VOUT，2 AOUT。
RGP是數據手冊中器件的“柵極上拉電阻”、用戶選擇的上拉柵極電阻及開關數據手冊中柵極電阻RG的組合。RGN是所有相同電阻的組合，但也包含下拉電阻。Ciss、Cgd、Vgp和VTH均可在電源開關的數據手冊中找到。
柵極驅動器和開關柵極之間的電阻直接影響功率損耗。執行所有計算時，關斷開關損耗顯然相當大。有趣的是，由于關斷期間流經開關的電流較大，因此當柵極電阻相同時，關斷功率損耗公式產生的損耗更高。由于柵極關斷不會產生大量輻射，因此在GATEN引腳和開關柵極之間使用0 Ω電阻（或短路）可優化效率與輻射。例如，只需取消下拉柵極電阻，2 MHz開關轉換器即可將效率提高幾個百分點。這種改善不容小覷。分離柵極電阻能夠降低輻射，同時又不犧牲與額外柵極電阻相關的效率。
圖14.針對2 MHz修改的EVAL-LT8357-AZ。
EVAL-LT8357-AZ 2MHz修改
EVAL-LT8357-AZ是一款精心設計的升壓轉換器，可在200 kHz開關頻率下實現低EMI。它配備一個相對較大的8 mm × 8 mm × 8 mm電感。然而，如果用戶認為電感尺寸太大，也可輕松修改電路板，以使其在2 MHz開關頻率下運行，同時保持相同的電壓和功率規格。通過這一修改，可以顯著縮小電感的尺寸，從8 mm × 8 mm × 8 mm減小到4 mm × 4 mm × 3 mm高的XGL4030-102電感。此外，無需使用龐大的混合聚合物輸出電容，并且可以縮小輸入EMI濾波器的尺寸。這些修改可節省大量電路板空間，同時仍支持從12 V輸入源轉換到24 V、2 A輸出的運行要求。圖15至18顯示了符合CISPR 25 5類輻射標準的2 MHz電路板。
圖15.修改后的2 MHz EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類傳導電壓輻射平均值。
圖16.修改后的2 MHz EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類傳導電壓輻射峰值。
圖17.修改后的2 MHz EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類電磁輻射騷擾平均值。
圖18.修改后的2 MHz EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類電磁輻射騷擾峰值。
表2.新型低EMI升壓轉換器
結論
LT8357升壓控制器是一款功能豐富的產品，專為低輻射而設計，而且仍保持易于操作的特性。10引腳IC既不會過于復雜，也不會因為過于簡單而無法設計。這款轉換器不包含同步開關等不必要的特性，從而確保精簡設計。它具有足夠數量的特性，可保持高效率和低輻射。這些特性相結合，再加上易設計性，使這款器件成為表2所示的低輻射升壓轉換器系列的理想配套產品。
新一代升壓控制器經過專門設計，可滿足對低輻射、高電壓和高電流升壓轉換器日益增長的需求。作為異步控制器，它能夠驅動單個高電壓電源開關，而且用途廣泛，可用作升壓和SEPIC轉換器。此外，它支持自定義。其電流模式架構支持100 kHz至2 MHz的可調節和可同步的固定頻率運行方式。內部集成的19%三角SSFM運行特性可啟用或禁用，從而提高EMI性能。作為一款有價值的工具，分離式5 V柵極驅動器能夠在N溝道MOSFET或GaNFET中更好地平衡輻射和效率。這款升壓轉換器具有3 V至60 V的寬輸入電壓范圍、專用PGOOD引腳和8μA低靜態電流，為工業、汽車和電池供電系統提供簡單、緊湊和高效的解決方案。
參考文獻
1 Tony Armstrong，“Silent Switcher器件安靜且簡單”，《模擬對話》，第53卷，2019年4月。
2 Keith Szolusha和Kevin Thai，“異步DC-DC升壓轉換器（包含續流二極管）還能實現低輻射嗎？”，ADI公司，2022年3月。
“Power MOSFET Basics:Understanding Gate Charge and Using It to Assess Switching Performance”，Vishay，2016年2月。
“How to Select the Right CoolMOS and Its Power Handling Capability”，Infineon Technologies，2002年。
BSZ0500NSI，Infineon Technologies，2021年。
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