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如何优化汽车设计中的EMI?

每年,汽车制造商都为汽车配备越来越多的传感器和功能,从而增加了汽车中的电子设备含量,并提高了其动力需求。随着功率水平的提高,可能依赖低压差线性稳压器(LDO)的工程师现在可能需要使用降压拓扑来满足目标效率。

降压器在更高的效率下可以提供比典型LDO更大的功率,但有一个缺点-它的开关特性会产生电磁干扰(EMI),这对于汽车应用而言可能是一个严重的问题。幸运的是,工程师可以使用许多技巧和工具来降低EMI,包括优化电路板布局,利用IC功能以及增加电路。

DC / DC转换器会因输入纹波,与附近电路的电和磁耦合以及电磁辐射而产生EMI。EMI会干扰AM / FM无线电接收器和其他敏感设备,例如主机或高级驾驶员辅助系统(ADAS)传感器。严重的EMI会在无线电和主机音频中产生静态噪声或其他类型的噪声,干扰ADAS传感器,并降低其他系统的性能。

为了防止这种严重的退化,工程师需要设计符合官方标准的系统,例如ComitéInternationalSpécialdes PerturbationsRadioélectriques(CISPR)25 Class5。由于不良的布局会导致任何设备无法通过标准机构设定的EMI限制,因此在电路板布局过程中遵循良好的布局优化实践。降压转换器的最重要做法是:

通过快速变化的电压(高dv / dt)减小节点的表面积,并且通过快速变化的电流(高di / dt)减小电流环路的面积。

这两个基本规则将决定工程师在何处放置某些组件,以最大程度地降低EMI。

不幸的是,即使是最优化的PCB布局也无法防止所有与EMI相关的问题。此外,由于电路板的尺寸,形状或时间的限制,通常无法尽可能地优化EMI的布局。例如,非常紧凑的布局可能要求您将功率电感器放置在电路板的底部,或者将输入电容器放置在距离IC稍远的地方,而这比将EMI最小化的最佳方式要小。

这些和其他布局限制会导致EMI,从而降低系统性能。即使有经验和谨慎,董事会也可能需要进一步优化。这些额外的董事会修订需要时间和金钱。那么,除了优化布局以最小化应用中的EMI之外,您还能做什么?

绕过电路板布局的限制

如果无法优化布局以实现最佳EMI,则某些DC / DC转换器会在设备级别提供许多封装和功能改进,以帮助最大程度地降低EMI并使其更容易满足CISPR 25 5类限制。这些功能使电路板设计与布局无关。换句话说,它们可以帮助弥补布局缺陷。

例如,扩展频谱是一种扩展谐波能量以减少峰值和平均EMI测量值的功能。它通过抖动开关频率(正负百分比)来扩展频谱密度来实现。例如,在±2%的范围内传播,将在第25个及更高的谐波上看到谐波能量的完全混合或重叠,而不是固定的频率,这将使谐波尖峰保持在基本频率上。能量在较高的频率中均匀分布,从而导致较低的测量值包络,需要较少的滤波和较少的布局优化,从而节省了时间和金钱。

摆率控制是另一个有助于改善EMI性能的功能。EMI的主要来源是开关环。开关环是由高端FET的快速导通引起的,它会快速从输入电容器中拉出电流,从而由于输入寄生环路电感和寄生电容的谐振而导致数百兆赫兹的环路低端FET的 降低上升时间会减慢此立即汲取的电流,从而减少振铃并降低EMI。通过增加一个与启动电容器串联的电阻(几欧姆的数量级)可以减慢上升时间,并且某些设备具有专用的启动电阻器引脚。这里需要权衡:放慢FET的摆率可使EMI最小化,但也会增加开关损耗,从而降低效率。

还具有有助于抑制EMI的封装级功能。TI的HotRod封装就是一个例子,该封装消除了内部键合线,如图1所示。不连续的电流会导致开关节点上数百兆赫兹的振铃,该振铃会耦合并辐射,从而引起EMI。去除输入电容器不连续电流的高di / dt环路路径中的键合线可降低环路电感。从而减少了振铃中的能量,从而降低了EMI。HotRod软件包中提供了诸如LM61460-Q1和LM53635-Q1之类的设备。

图1该剖视图允许工程师比较标准的引线键合四方扁平无引线(QFN)封装和TI的HotRod QFN。资料来源:德州仪器(Texas Instruments)

其他封装级功能包括优化的引脚排列。器件可以通过整理引脚位置来提高EMI性能,从而使关键路径(例如输入电容器)保持尽可能小。器件通常将VIN和GND(或PGND)引脚彼此相邻放置,以便为电容器的连接提供最佳位置。

更进一步,这是对称的引脚排列。将VIN / PGND对称地放置在封装的任一侧,可使输入环路磁场自成一体,从而进一步降低了EMI。许多DC / DC降压转换器,例如LMR33630,LMR36015,LM61460和LMQ61460-Q1具有对称的VIN / PGND引脚对(图2b)。

集成输入电容器

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