【導(dǎo)讀】汽車應(yīng)用電路必須滿足嚴(yán)格的EMI標(biāo)準(zhǔn)，以避免干擾廣播和移動(dòng)服務(wù)頻段。在很多情況下，Silent Switcher®和Silent Switcher 2解決方案在滿足這些標(biāo)準(zhǔn)方面可以發(fā)揮重要作用。但是，在任何情況下，都必須要精心布局。本文專門討論4開關(guān)降壓-升壓型控制器的兩種可能解決方案，并比較EMI室的測量結(jié)果。
4開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器將降壓和升壓控制器結(jié)合在單個(gè)IC中，當(dāng)輸出低于輸入時(shí)，轉(zhuǎn)換器用作降壓器；當(dāng)輸出高于輸入時(shí)，轉(zhuǎn)換器用作升壓器。在輸出和輸入接近的區(qū)域中，所有四個(gè)開關(guān)都可以工作。
功率產(chǎn)品研究團(tuán)隊(duì)利用ADI公司位于加州圣克拉拉的內(nèi)部EMI室，對(duì)原始雙熱回路同步布局的有效性進(jìn)行了研究，看看能否使用替代布局來降低EMI噪聲以通過EMI標(biāo)準(zhǔn)。
雙熱回路布局要求將熱回路陶瓷電容對(duì)稱放置在功率MOSFET周圍，以遏制EMI噪聲。ADI公司獨(dú)特的檢測電阻位置——在電感旁邊且在熱回路外部——使得這些回路可以非常小，從而最大限度地降低熱回路的天線效應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)這種對(duì)稱性并使開關(guān)節(jié)點(diǎn)能夠到達(dá)附近的電感，需要開關(guān)節(jié)點(diǎn)過孔，而這可能會(huì)影響熱回路區(qū)域。研究團(tuán)隊(duì)利用符合CISPR 25標(biāo)準(zhǔn)的EMI室發(fā)現(xiàn)，裸露的開關(guān)節(jié)點(diǎn)和較大熱回路面積會(huì)產(chǎn)生干擾性傳導(dǎo)EMI，尤其是在>30 MHz（FM無線電頻帶）時(shí)，這是最難衰減的頻率范圍。
對(duì)于具有單個(gè)熱回路的原始降壓-升壓布局，通過重新布置功率MOSFET和熱回路電容可以改善其最小熱回路。這種布局稱為單熱回路，與之相對(duì)應(yīng)的是雙熱回路。使用單個(gè)熱回路的好處是不僅開關(guān)損耗較小，而且能夠衰減>30 MHz的傳導(dǎo)發(fā)射(CE)，因?yàn)闊峄芈访娣e和開關(guān)節(jié)點(diǎn)的裸露部分已最小化。其有效性已通過如下方式得到驗(yàn)證：使用相同的控制器IC和相同的功率器件，比較新布局與雙熱回路布局的EMI噪聲。實(shí)驗(yàn)使用了一個(gè)4個(gè)開關(guān)降壓-升壓控制器 LT8392及其兩種版本的演示電路（DC2626A rev.2和rev.3）。
布局比較
圖1顯示了雙熱回路和單熱回路的布局與裝配板照片。每個(gè)板都有四層：頂層（第1層）、第2層、第3層和底層（第4層）。但是，圖中僅顯示了頂層和底層。如圖1(a)所示，熱回路電容位于中心MOSFET的左側(cè)和右側(cè)，形成相同的熱回路。開關(guān)節(jié)點(diǎn)過孔用于通過底層（如圖1(c)所示）和第3層將開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW1和SW2連接到主電源電感。SW1和SW2頂層銅節(jié)點(diǎn)采用大面積布局，以耗散電感和MOSFET的熱量。但同時(shí)，大部分裸露的SW1和SW2銅節(jié)點(diǎn)成為EMI輻射源。如果電路板安裝在底盤接地附近，則底盤和開關(guān)節(jié)點(diǎn)銅之間會(huì)形成寄生電容。它使高頻噪聲從開關(guān)節(jié)點(diǎn)流到底盤接地，影響系統(tǒng)中的其他電路。在符合CISPR 25標(biāo)準(zhǔn)的EMI室中，高頻噪聲流過EMI設(shè)置和LISN的接地臺(tái)。裸露的交換節(jié)點(diǎn)還會(huì)充當(dāng)天線，引起輻射EMI噪聲。
然而，單熱回路在底層沒有裸露的開關(guān)節(jié)點(diǎn)銅，如圖1(d)所示。在圖1(b)所示的頂層，熱回路電容僅放置在MOSFET的一側(cè)，這使得開關(guān)節(jié)點(diǎn)可以連接到電感而無需使用開關(guān)節(jié)點(diǎn)過孔。
圖1.雙熱回路和單熱回路的布局與照片
在單熱回路布局中，頂部和底部MOSFET不對(duì)齊，但其中一個(gè)旋轉(zhuǎn)90°以使熱回路盡可能小。圖1(e)和圖1(f)中的黃色高亮框比較了雙熱回路與單熱回路的熱回路大小。這些框表明，單熱回路的熱回路為雙熱回路的一半。
應(yīng)當(dāng)注意，圖1(a)所示的雙熱回路的兩個(gè)0402熱回路電容未被使用，并且1210熱回路電容被擠壓到MOSFET以使熱回路最小。
剝離0402電容焊盤附近的阻焊層，以使1210電容連接良好。另外，電感焊盤附近的阻焊層被移除，以在單熱回路電路中使用該同一電感。熱回路越小，意味著回路的總電感越小。因此，開關(guān)損耗得以減少，開關(guān)節(jié)點(diǎn)和開關(guān)電流的LC振鈴也得以衰減。另外，較小的回路有助于降低30 MHz以上的傳導(dǎo)EMI，因?yàn)殡姶泡椛潋}擾會(huì)影響該范圍內(nèi)的傳導(dǎo)EMI。
ADI公司的專有峰值降壓/峰值升壓電流模式控制方案使得4開關(guān)降壓-升壓控制器可以形成最小的熱回路。電流檢測電阻與主電感串聯(lián)。相比之下，競爭對(duì)手的控制器使用谷值降壓/峰值升壓電流模式控制方案，其中電流檢測電阻應(yīng)放在底部MOSFET的源極和地之間。圖2顯示了此類器件之一的推薦降壓-升壓布局。如黃框所示，熱回路大于雙熱回路或單熱回路。此外，檢測電阻的寄生電感增加了熱回路的總電感。
圖2.競爭器件LM5176的推薦降壓-升壓布局
EMI比較
雙熱回路和單熱回路的EMI是在符合CISPR 25標(biāo)準(zhǔn)的EMI室中測量，結(jié)果顯示于圖3中。圖3還給出了CISPR 25 Class 5標(biāo)準(zhǔn)限值。EMI結(jié)果繪制在同一圖中以比較差異，雙熱回路用黃線標(biāo)示，單熱回路用紅線標(biāo)示。灰線是在環(huán)境條件下測得的本底噪聲。如圖4所示，雙熱回路的底層的裸露開關(guān)節(jié)點(diǎn)用銅帶屏蔽接地，以顯示該較小熱回路的效果如何。沒有銅屏蔽的雙熱回路的輻射遠(yuǎn)高于圖3中的結(jié)果。輸出為12 V、8 A，輸入電壓設(shè)置為13 V，以使電路工作在4開關(guān)切換模式。
圖3.雙熱回路和單熱回路的EMI比較曲線：(a) 電壓法傳導(dǎo)發(fā)射峰值和均值，(b) 電流探針法傳導(dǎo)發(fā)射50 mm峰值和均值，(c) 電流探針法傳導(dǎo)發(fā)射750 mm峰值和均值，(d) 輻射發(fā)射垂直峰值和均值。
圖3(a)分別顯示了電壓法傳導(dǎo)發(fā)射的峰值和均值。單熱回路在30 MHz以上的CE要低5 dBμV，滿足CISPR 25 Class 5標(biāo)準(zhǔn)對(duì)峰值和均值CE的要求，而雙熱回路在FM和VHF頻段（68 MHz至約108 MHz）的均值有過沖，如黃色高亮框所示。
請注意，在該頻率范圍內(nèi)降低5 dbμv非常有挑戰(zhàn)性。單熱回路不僅在30 MHz的高頻范圍（這是最難衰減的區(qū)域）有效，在包括AM頻段（0.53 MHz至約1.8 MHz）的低頻(<2 MHz)范圍也有效。輻射總是越低越好，尤其是當(dāng)其為CE時(shí)，因?yàn)檫@會(huì)影響所有電連接的系統(tǒng)。
電流探針方法是CISPR 25 Class 5指定的另一種測量方法。它在距離DUT 50 mm和750 mm的兩個(gè)不同位置測量共模傳導(dǎo)發(fā)射，而電壓方法測量共模和差模的混合傳導(dǎo)發(fā)射。圖3(b)和3(c)比較了雙熱回路和單熱回路的電流探針法傳導(dǎo)發(fā)射。結(jié)果表明，單熱回路在30 MHz以上（尤其是FM頻段）具有更低的傳導(dǎo)發(fā)射，如黃色高亮框所示。與電壓法傳導(dǎo)發(fā)射不同，在AM頻段周圍的低頻處，單熱回路相對(duì)于雙熱回路沒有顯著優(yōu)勢。
圖4.雙熱回路的底層的屏蔽開關(guān)節(jié)點(diǎn)
最后，圖3(d)顯示了兩種不同降壓-升壓布局的輻射發(fā)射(RE)。結(jié)果幾乎相同，不過雙熱回路的尖峰在大約90 MHz時(shí)，比單熱回路高5 dbμv/m。
熱比較
圖5顯示了雙熱回路和單熱回路的熱比較。熱圖像是在9.4 V輸入電壓和SSFM開啟的情況下測得。9.4 V是4開關(guān)工作區(qū)域的最低點(diǎn)，此后工作模式切換到輸出電壓為12 V的2開關(guān)純升壓模式。因此，測試條件最為惡劣。雙熱回路的最熱元件、升壓側(cè)底部MOSFET和單熱回路的溫度幾乎相同。雖然單熱回路的底層沒有可以散熱的開關(guān)節(jié)點(diǎn)通孔和銅，但由于熱回路較小，其開關(guān)損耗低于雙熱回路。另外，不使用開關(guān)節(jié)點(diǎn)過孔使得單熱回路的頂層能夠更好地散熱，因?yàn)镸OSFET漏極焊盤和開關(guān)節(jié)點(diǎn)銅的接觸面積大于雙熱回路的接觸面積。
結(jié)論
新的高功率設(shè)計(jì)建議使用新型單熱回路降壓-升壓布局。由于開關(guān)節(jié)點(diǎn)的裸露部分和熱回路面積極小，單熱回路具有降低傳導(dǎo)和輻射發(fā)射的明顯優(yōu)勢，而不存在任何散熱缺點(diǎn)。值得注意的是，它能降低30 MHz以上的傳導(dǎo)發(fā)射，這是最難衰減的頻率區(qū)域。由于ADI公司的4開關(guān)降壓-升壓控制器（LT8390/LT8390A、LT8391/LT8391A、LT8392、LT8393、LT8253等）具備專有峰值降壓/峰值升壓電流模式控制特性，因此熱回路可以做得比競爭器件的熱回路小很多。該控制特性導(dǎo)致效率更高而EMI更低，使得ADI公司的4開關(guān)降壓-升壓控制器成為汽車應(yīng)用或任何EMI敏感應(yīng)用的出色選擇。
圖5.(a) 雙熱回路的熱圖像，(b) 單熱回路的熱圖像。
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