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      1. 汽車系統的EMI問題解決方案

        首頁    行業新聞    汽車系統的EMI問題解決方案

              印刷電路板布局決定著所有電源的成敗,決定著功能、電磁干擾(EMI)和受熱時的表現。開關電源布局不是魔術,并不難,只不過在最初設計階段,可能常常被忽視。然而,因為功能和EMI要求都要必須滿足,所以對電源功能穩定性有益的安排也常常有利于降低EMI輻射,那么晚做不如早做。還應該提到的是,從一開始就設計一個良好的布局不會增加任何費用,實際上還可以節省費用,因為無需EMI濾波器、機械屏蔽、花時間進行EMI測試和修改PC板。

              此外,當為了實現均流和更大的輸出功率而并聯多個DC/DC開關模式穩壓器時,潛在的干擾和噪聲問題可能惡化。如果所有穩壓器都以相似的頻率工作(開關),那么電路中多個穩壓器產生的總能量就會集中在一個頻率上。這種能量的存在可能成為一個令人擔憂的問題,尤其是如果該PC板以及其他系統板上其余的IC相互靠得很近,易于受到這種輻射能量影響時。在汽車系統中,這一問題可能尤其麻煩,因為汽車系統是密集排列的,而且常??拷纛l、RF、CAN總線和各種雷達系統。

         

        應對開關穩壓器噪聲輻射問題

              在汽車環境中,常常在重視散熱和效率的區域采用開關穩壓器來取代線性穩壓器。此外,開關穩壓器一般是輸入電源總線上的第一個有源組件,因此對整個轉換器電路的EMI性能有顯著影響。

              EMI輻射有兩種類型:傳導型和輻射型。傳導型EMI取決于連接到一個產品的導線和電路走線。既然噪聲局限于方案設計中特定的終端或連接器,那么通過前述的良好布局或濾波器設計,常常在開發過程的早期,就可以保證符合傳導型EMI要求。

              然而,輻射型EMI卻另當別論了。電路板上攜帶電流的所有組成部分都輻射一個電磁場。電路板上的每一條走線都是一個天線,每一個銅平面都是一個諧振器。除了純正弦波或DC電壓,任何信號都產生覆蓋整個信號頻譜的噪聲。即使經過仔細設計,在系統接受測試之前,設計師也永遠不會真正知道輻射型EMI將有多么嚴重。而且在設計基本完成以前,不可能正式進行輻射EMI測試。

              濾波器可以在某個頻率上或整個頻率范圍內衰減強度以降低EMI。部分能量通過空間(輻射)傳播,因此可增設金屬屏蔽和磁屏蔽來衰減。而在PCB走線上(傳導)的那部分則可通過增設鐵氧體磁珠和其他濾波器來加以控制。EMI不可能徹底消除,但是可以衰減到其他通信及數字組件可接受的水平。此外,幾家監管機構強制執行一些標準以確保符合EMI要求。

              采用表面貼裝技術的新式輸入濾波器組件的性能好于通孔組件。不過,這種改進被開關穩壓器開關工作頻率的提高抵消了。更快速的開關轉換產生了更高的效率、很短的最短接通和斷開時間,因此產生了更高的諧波分量。在開關容量和轉換時間等所有其他參數保持不變的情況下,開關頻率每增大一倍,EMI就惡化6dB。寬帶EMI的表現就像一個一階高通濾波器一樣,如果開關頻率提高10倍,就會增加20dB輻射。

              有經驗的PCB設計師會將熱點環路設計得很小,并讓屏蔽地層盡可能靠近有源層。然而,器件引出腳配置、封裝構造、熱設計要求以及在去耦組件中存儲充足的能量所需的封裝尺寸決定了熱點環路的最小尺寸。使問題更加復雜的是,在典型的平面印刷電路板中,走線之間高于30MHz的磁或變壓器型耦合將抵消所有濾波器的努力,因為諧波頻率越高,不想要的磁耦合就變得越加有效。

         

        應對這些EMI問題的全新解決方案

              可靠和真正應對EMI問題的解決方案是,將整個電路放在屏蔽盒中。當然,這么做增加了成本、增大了所需電路板空間、使熱量管理和測試更加困難并導致額外的組裝費用。另一種經常采用的方法是減緩開關邊沿。這么做會產生一種不想要的結果,這就是降低效率、增大最短接通和斷開時間、產生有關的死區時間,有損于電流控制環路可能達到的速度。

              凌力爾特不久前推出了LT8614SilentSwitcher穩壓器,該器件無需使用屏蔽盒,卻能提供想要的屏蔽盒效果,因此消除了上述缺點。參見圖1。LT8614還具有世界級的低IQ,工作電流僅為2.5μA。這是該器件在無負載穩壓狀態時消耗的總電源電流。

        圖1:LT8614SilentSwitcher最大限度地減小麗EMI/EMC輻射

              該器件的超低壓差電壓僅受到內部頂端開關的限制。與其他解決方案不同,LT8614的RDSON不受最大占空比和最短斷開時間限制。該器件在出現壓差時跳過開關斷開周期,僅執行所需的最短斷開周期,以保持內部頂端開關升壓級電壓持續提供,如圖6所示。

              同時,LT8614的最低輸入工作電壓典型值僅為2.9V(最高3.4V),從而使該器件能在有壓差時提供3.3V軌。在大電流時LT8614比LT8610/11的效率更高,因為其總的開關電阻較小。該器件還可以同步至200kHz至3MHz的外部頻率。

              該器件的AC開關損耗很低,因此它能夠以高開關頻率工作而效率損失最小。在對EMI敏感的應用中(諸如在許多汽車環境中常見的那些應用)可以實現良好的平衡,而且LT8614能夠在低于AM頻帶(以實現甚至更低的EMI)或高于AM頻帶的頻率上工作。在工作開關頻率為700kHz的設置中,標準LT8614演示電路板不超過CISPR25-Calls5測量結果的噪聲層。

        圖2所示測量結果是在電波暗室和以下條件下取得的:12Vin、3.3Vout/2A,固定開關頻率為700kHz。

              為了比較采用SilentSwitcher技術的LT8614和另一種目前最新的開關穩壓器LT8610,對LT8614和LT8610進行了測試。該測試是在GTEM單元中進行的,對兩款器件的測量采用了標準演示電路板以及相同的負載、輸入電壓和相同的電感器。

              可以看到,與LT8610已經非常好的EMI性能相比,采用LT8614SilentSwitcher技術的LT8614實現了多達20dB的改進,尤其是在更難以管理的高頻區。這使得可以實現更簡單、更緊湊的設計,與其他敏感系統相比,在總體設計上,LT8614開關電源對濾波的要求更低。

              在時間域,LT8614在開關節點邊沿上表現得非常好,如圖4所示。即使在每格4ns的情況下,LT8614SilentSwitcher穩壓器顯示出非常小的振鈴(參見圖3中的通道2)。LT8610的振鈴也很好地衰減了(圖3通道1),但是可以看到這與LT8614(通道2)相比,LT8610熱點環路存儲了較高能量。

              圖5顯示了13.2V輸入的開關節點??梢钥吹?,LT8614與理想方波的偏離極小,如通道2所示。圖3、4和5中的所有時間域測量結果都是用500MHzTektronixP6139A探頭測得的,封閉的探頭尖端屏蔽罩連接至PCBGND平面,測試均在標準演示電路板上進行。

              除了面向汽車環境的42V絕對最大輸入電壓額定值,器件的壓差表現也非常重要。常常需要支持至關重要的3.3V邏輯電源以應對冷車發動情況。在這種情況下,LT8614SilentSwitcher穩壓器保持接近LT861x系列的理想表現。LT8610/11/14器件不是像其他器件那樣提供更高的欠壓閉鎖電壓和最大占空比箝位,而是以低至3.4V的電壓工作,而且只要有必要,就跳過若干周期,如圖6所示。這樣就產生了理想的壓差表現,如圖7所示。

              LT8614的最短接通時間為非常短的30ns,即使在高開關頻率時,這也允許大的降壓比。因此,該器件可以從高達42V的輸入,經過單次降壓提供邏輯內核電壓。

         

        結論

              眾所周知,汽車環境的EMI問題在最初設計階段需要仔細注意,以確保一旦系統開發完成能通過EMI測試。直到不久前,尚沒有一種確定的方法保證,通過恰當地選擇電源IC,就能夠輕松解決EMI問題?,F在,由于LT8614的推出,情況發生了變化。與目前最新的開關穩壓器相比,LT8614SilentSwitcher穩壓器的EMI低20dB以上,同時LT8614還完美地提高了轉換效率。也就是說,在不犧牲同一電路板區域的最短接通和斷開時間或效率的前提下,在高于30MHz的頻率范圍內,EMI改善了10倍。無需特殊組件或屏蔽就可以實現這么大的改進,這意味著在開關穩壓器設計領域實現了重大突破。這是一款突破性器件,使汽車系統設計師能夠將其產品的噪聲性能推進到一個全新水平。

         

        2020年11月3日 09:10
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        白洁老师太紧了我慢慢进了

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