是否可以将低emi电源安装到拥挤的电路板上 -凯发app官网登录

有限且不断缩小的电路板空间、紧张的设计周期以及严格的电磁干扰(emi)规范（例如cispr 32和cispr 25）这些限制因素，都导致获得具有高效率和良好热性能电源的难度很大。在整个设计周期中，电源设计通常基本处于设计过程的最后阶段，设计人员需要努力将复杂的电源挤进更紧凑的空间，这使问题变得更加复杂，非常令人沮丧。为了按时完成设计，只能在性能方面做些让步，把问题丢给测试和验证环节去处理。简单、高性能和凯发app官网登录的解决方案尺寸三个考虑因素通常相互冲突：只能优先考虑一两个，而放弃第三个，尤其当设计期限临近时。牺牲一些性能变得司空见惯；其实不应该是这样的。

本文首先概述了在复杂的电子系统中电源带来的严重问题：即emi，通常简称为噪声。电源会产生emi，必须加以解决，那么问题的根源是什么？通常有何缓解措施？本文介绍减少emi的策略，提出了一种凯发app官网登录的解决方案，能够减少emi、保持效率，并将电源放入有限的凯发app官网登录的解决方案空间中。

什么是emi？

电磁干扰是会干扰系统性能的电磁信号。这种干扰通过电磁感应、静电耦合或传导来影响电路。它对汽车、医疗以及测试与测量设备制造商来说，是一项关键设计挑战。上面提到的许多限制和不断提高的电源性能要求（功率密度增加、开关频率更高以及电流更大）只会扩大emi的影响，因此亟需凯发app官网登录的解决方案来减 少emi。许多行业都要求必须满足emi标准，如果在设计初期不加以考虑，则会严重影响产品的上市时间。

emi耦合类型

emi是电子系统中的干扰源与接收器（即电子系统中的一些元件）耦合时所产生的问题。emi按其耦合介质可归类为：传导或辐射。

传导emi（低频，450 khz至30 mhz）

传导emi通过寄生阻抗以及电源和接地连接以传导方式耦合到元件。噪声通过传导传输到另一个器件或电路。传导emi可以进一步分为共模噪声和差模噪声。

共模噪声通过寄生电容和高dv/dt (c × dv/dt)进行传导。它通过寄生电容沿着任意信号（正或负）到gnd的路径传输，如图1所示。

差模噪声通过寄生电感（磁耦合）和高di/dt (l × di/dt)进行传导。

辐射emi（高频，30 mhz 至1 ghz）

辐射emi是通过磁场能量以无线方式传输到待测器件的噪声。在开关电源中，该噪声是高di/dt与寄生电感耦合的结果。辐射噪声会影响邻近的器件。

emi控制技术

解决电源中emi相关问题的典型方法是什么？首先，确定emi就是一个问题。这看似很显而易见，但是确定其具体情况可能非常耗时，因为它需要使用emi测试室（并非随处都有），以便对电源产生的电磁能量进行量化，并确定该电磁能量是否符合系统的emi标准要求。

假设经过测试，电源会带来emi问题，那么设计人员将面临通过多种传统的校正策略来减少emi的过程，其中包括：

• 布局优化：精心的电源布局与选择合适的电源组件同样重要。成功的布局很大程度上取决于电源设计人员的经验水平。布局优化本质上是个迭代过程，经验丰富的电源设计人员有助于最大限度地减少迭代次数，从而避免耽误时间和产生额外的设计成本。问题是：内部人员往往不具备这些经验。
• x 缓冲器：一些设计人员会提前规划并为简单的缓冲器电路（从开关节点到gnd的简单rc滤波器）提供占位面积。这样可以抑制开关节点的振铃现象（一项产生emi的因素），但是这种技术会导致损耗增加，从而对效率产生负面影响。
• x 降低边沿速率：减少开关节点的振铃也可以通过降低栅极导通的压摆率来实现。不幸的是，与缓冲器类似，这会对整个系统的效率产生负面影响。
• 展频(ssfm)：许多adi公司的power by linear™开关稳压器都提供该特性，它有助于产品设计通过严格的emi测试标准。采用ssfm技术，在已知范围内（例如，编程频率fsw上下±10%的变化范围）对驱动开关频率的时钟进行调制。这有助于将峰值噪声能量分配到更宽的频率范围内。
• x 滤波器和屏蔽：滤波器和屏蔽总是会占用大量的成本和空间。它们也使生产复杂化。

以上所有制约措施都可以减少噪声，但是它们也都存在缺 陷。最大限度地减少电源设计中的噪声通常能够彻底解决问 题，但却很难实现。adi公司的 silent switcher^® 和 silent switcher 2 稳压器在稳压器端实现了低噪声，从而无需额外的滤波、屏蔽或大量布局迭代。由于不必采用昂贵的反制措施，加快了产品上市时间并节省大量的成本。

最大限度地减小电流回路

为了减少emi，必须确定电源电路中的热回路（高di/dt回路）并减少其影响。热回路如图2所示。在标准降压转换器的一个周期内，当m1关闭而m2打开时，交流电流沿着蓝色回路流动。在m1打开而m2关闭的关闭周期中，电流沿着绿色回路流动。产生最高emi的回路并非完全直观可见，它既不是蓝色回路也不是绿 色回路，而是传导全开关交流电流（从零切换到 i_peak ，然后再切换回零）的紫色回路。该回路称为热回路，因为它的交流和emi能量最大。

导致电磁噪声和开关振铃的是开关稳压器热回路中的高di/dt和寄生电感。要减少emi并改进功能，需要尽量减少紫色回路的辐射效应。热回路的电磁辐射骚扰随其面积的增加而增加，因此，如果可能的话，将热回路的pc面积减小到零，并使用零阻抗理想电容可以解决该问题。

使用silent switcher稳压器实现低噪声

磁场抵消

虽然不可能完全消除热回路区域，但是我们可以将热回路分成极性相反的两个回路。这可以有效地形成局部磁场，这些磁场在距ic任意位置都可以有效地相互抵消。这就是silent switcher稳压器背后的概念。

倒装芯片取代键合线

改善emi的另一种方法是缩短热回路中的导线。这可以通过放弃将芯片连接至封装引脚的传统键合线方法来实现。在封装中倒装硅芯片，并添加铜柱。通过缩短内部fet到封装引脚和输入电容的距离，可以进一步缩小热回路的范围。

图6显示了使用silent switcher稳压器的一个典型应用，可通过两个输入电压引脚上的对称输入电容来识别。布局在该方案中非常重要，因为silent switcher技术要求尽可能将这些输入电容对称布置，以便发挥场相互抵消的优势。否则，将丧失silentswitcher技术的优势。当然，问题是如何确保在设计及整个生产过程中的正确布局。答案就是silent switcher 2稳压器。

silent switcher 2

silent switcher 2稳压器能够进一步减少emi。通过将电容 v_in 电容、 intv_cc和升压电容）集成到lqfn封装中，消除了emi性能对pcb布局的敏感性，从而可以放置到尽可能靠近引脚的位置。所有热回路和接地层都在内部，从而将emi降至最低，并使凯发app官网登录的解决方案的总占板面积更小。

silent switcher 2技术还可以改善热性能。lqfn倒装芯片封装上的多个大尺寸接地裸露焊盘有助于封装通过pcb散热。消除高电阻键合线还可以提高转换效率。在进行emi性能测试时， lt8640s 能满足cispr 25 class 5峰值限制要求，并且具有较大的裕量。

µmodule silent switcher稳压器

借助开发silent switcher产品组合所获得的知识和经验，并配合 使用现有的广泛 µmodule^®产品组合，使我们提供的电源产品易于设计，同时满足电源的某些重要指标要求，包括热性能、可靠性、精度、效率和良好的emi性能。

图9所示的  集成了可实现磁场抵消的两个输入电容以及 电源所需的其他一些无源组件。所有这些都通过一个 6.25 mm ×9 mm × 3.32 mm bga封装实现，让客户可以专心完成电路板的其他部分设计。

无需ldo稳压器——电源案例研究

典型的高速adc需要许多电压轨，其中一些电压轨噪声必须非常低才能实现adc数据表中的最高性能。为了在高效率、小尺寸板空间和低噪声之间达成平衡，普遍接受的凯发app官网登录的解决方案是将开关电源与ldo后置稳压器结合使用，如图10所示。开关稳压器能够以更高效率实现更高的降压比，但噪声相对也较大。低噪声ldo后置稳压器效率相对较低，但它可以抑制开关稳压器产生的大部分传导噪声。尽可能减小ldo后置稳压器的降压比有助于提高效率。这种组合能产生干净的电源，从而使adc以最高性能运行。但问题在于多个稳压器会使布局更复杂，并且ldo后置稳压器在较高负载下可能会产生散热问题。

图10所示的设计显然需要进行一些权衡取舍。在这种情况下，低噪声是优先考虑事项，因此效率和电路板空间必须做些让步。但也许不必如此。最新一代的silent switcher µmodule器件将低噪声开关稳压器设计与µmodule封装相结合，能够同时实现易设计、高效率、小尺寸和低噪声的目标。这些稳压器不仅尽可 能减少了电路板占用空间，而且实现了可扩展性，可使用一个µmodule稳压器为多个电压轨供电，进一步节省了空间和时间。图11显示了使用  silent switcher µmodule 稳压器为adc供电的电源树替代方案。

这些设计都已经过相互测试比较。adi公司最近发表的一篇文章对使用图10和图11所示电源设计的adc性能进行了测试和比较¹。测试包括以下三种配置：

• 使用开关稳压器和ldo稳压器为adc供电的标准配置。
• 使用直接为adc供电，不进行进一步的滤波。
• 使用和额外的输出lc滤波器，进一步净化输出。

测得的sfdr和snrfs结果表明，可用于直接为adc供电，并不会影响adc的性能。

这个实施方案的核心优势是大大减少了元件数量，从而提高了效率，简化了生产并减少了电路板占位空间。

小结

总之，随着更多系统级设计需要满足更加严格的规范，尽可能充分利用模块化电源设计变得至关重要，尤其在电源设计专业经验有限的情况下。由于许多细分市场要求系统设计必须符合最新的emi规范要求，因此将silent switcher技术运用于小尺寸设计，同时借助µmodule稳压器简单易用的特性，可以大大缩短产品上市时间，同时还可以节省电路板空间。

silent switcher µmodule稳压器的优势

• 节省pcb布局设计时间（无需重新设计电路板即可解决噪声问题）。
• 无需额外的emi滤波器（节省元件和电路板空间成本）。
• 降低了内部电源专家进行电源噪声调试的需求。
• 在宽工作频率范围内提供高效率。
• 为噪声敏感型器件供电时，无需使用ldo后置稳压器
• 缩短设计周期。
• 在尽可能小的电路板空间中实现高效率。
• 良好的热性能。