同步Silent Switcher^®轉換器已經(jīng)為功能強大、結構緊湊且安靜的 DC-DC轉換設定了黃金標準。在過(guò)去5年多的時(shí)間里，我們了解到了大量這些低EMI同步降壓和升壓轉換器。這些DC-DC轉換器簡(jiǎn)化了在高功率、噪聲敏感環(huán)境中的系統級EMC設計，例如冷啟動(dòng)預升壓、驅動(dòng)大電流LED串和高壓功率放大器聲音系統。與基于控制器的設計相比，單芯片（集成電源開(kāi)關(guān)）升壓穩壓器提供了一種更緊湊的高效解決方案，通常用于5 V、12 V和24 V源電壓。

集成式同步開(kāi)關(guān)及其在硅芯片1中的獨特布局是Silent Switcher轉換器“秘訣”的一部分。板載（集成式）開(kāi)關(guān)可以形成非常微小的熱回路，幫助盡可能降低輻射。但是，這可能導致成本增加，而且并非所有應用都需要同步開(kāi)關(guān)。如果只是將單個(gè)電源開(kāi)關(guān)集成到硅芯片中，并且可以依賴(lài)外部低成本分立式續流二極管來(lái)作為第二開(kāi)關(guān)，那么開(kāi)關(guān)轉換器的成本會(huì )降低。這種做法在較低成本轉換器中很常見(jiàn)，但是，如果低輻射非常重要，是否仍然可以如此？

帶分立式續流二極管的異步轉換器仍然可以實(shí)現低輻射。如果在設計時(shí)特別注意熱回路布局和dV/dt開(kāi)關(guān)邊緣速率，那么有可能使用異步轉換器實(shí)現低EMI開(kāi)關(guān)應用。在展頻(SSFM)中集成降低輻射的額外措施是必要的。單芯片開(kāi)關(guān)穩壓器，例如 LT3950 60 V、1.5 A異步LED驅動(dòng)器和 LT8334  40 V、5 A異步升壓轉換器，每個(gè)都在器件中集成了單個(gè)低端電源開(kāi)關(guān)，但它們依賴(lài)外部續流二極管，同時(shí)仍然可以實(shí)現低輻射！它的工作原理是什么呢？

圖1. (A) 異步單芯片升壓轉換器具有單個(gè)熱回路，其中包含一個(gè)外部續流二極管。(b) Silent Switcher轉換器具有兩個(gè)（相反）熱回路和全集成開(kāi)關(guān)。

續流二極管與死區時(shí)間的關(guān)系

在單芯片轉換器中集成一個(gè)而不是兩個(gè)電源開(kāi)關(guān)，可以使芯片尺寸減小30%到40%。芯片尺寸減小可以直接節省硅芯片成本，當硅芯片能夠集成到更小封裝中時(shí)，可以進(jìn)一步實(shí)現二次成本降低。雖然有些PCB空間仍然需要專(zhuān)用于外部分立式續流二極管，但這些二極管數量多、可靠且價(jià)格便宜。在升壓轉換器中，具有低VF的肖特基二極管在高輸出電壓和低占空比下具有高效率，可以說(shuō)性能優(yōu)于價(jià)格昂貴的高壓功率FET。

原因之一可能是因為死區時(shí)間。在典型的同步轉換器中，在預設的死區時(shí)間內會(huì )發(fā)生電源開(kāi)關(guān)體二極管導通，以防止潛在的擊穿問(wèn)題。如果同步開(kāi)關(guān)在主開(kāi)關(guān)能夠完全關(guān)閉之前打開(kāi)，則會(huì )發(fā)生擊穿，導致輸入或輸出（降壓或升壓）直接對地短路。在高開(kāi)關(guān)頻率及最小和最大占空比限值下，死區時(shí)間控制會(huì )成為開(kāi)關(guān)設計中的一個(gè)限制因素。使用具有低正向電壓的低成本續流二極管之后，無(wú)需再在開(kāi)關(guān)中提供死區時(shí)間邏輯——非常簡(jiǎn)單。在大多數情況下，它們也優(yōu)于功率開(kāi)關(guān)（在死區時(shí)間期間導電）內部固有的體二極管的正電壓壓降。

簡(jiǎn)單布局和封裝

首先，我們可以從簡(jiǎn)單的單芯片升壓轉換器著(zhù)手來(lái)展示基本的布局。圖2中的LT3950 60 V、1.5 A LED驅動(dòng)器具有簡(jiǎn)單的PCB熱回路。這個(gè)熱回路（在圖3中突出顯示）只包含小型陶瓷輸出電容和尺寸相似的分立式續流二極管PMEG6010CEH。這些組件與LT3950 16引腳MSE封裝，以及散熱盤(pán)的開(kāi)關(guān)引腳和GND面緊密貼合。如此足以實(shí)現低輻射嗎？這當然只是公式的一部分。線(xiàn)焊16引腳MSE封裝和緊密的熱回路結合SSFM和受控良好的開(kāi)關(guān)行為（開(kāi)關(guān)電源過(guò)渡不會(huì )因為非常高的速度和寄生走線(xiàn)電感而振鈴），可以實(shí)現低輻射。

圖2. LT3950 (DC2788A)異步熱回路包括D1續流二極管。盡管如此，續流二極 管和輸出電容仍與LT3950 16引腳MSE封裝緊密貼合。突出顯示的異步開(kāi)關(guān) 節點(diǎn)小且緊湊，但并非不可能。開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的布局可能是實(shí)現低輻射結果的關(guān)鍵。


圖3. LT3950 LED驅動(dòng)器是一個(gè)異步單芯片1.5 A、60 V升壓轉換器。升壓轉換器熱回路（黃色突出顯示）包含一個(gè)分立式續流二極管，不會(huì )減弱高頻率輻射。

接下來(lái)，可以使用異步轉換器的單個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)形成SEPIC拓撲（升壓和降壓），以擴展其實(shí)用性，不止局限于預期的升壓用途。因為是單開(kāi)關(guān)，所以很容易斷開(kāi)升壓轉換器的熱回路，并在其中增加SEPIC耦合電容，如圖4和圖5所示。大多數同步升壓轉換器的頂部和底部開(kāi)關(guān)都永久連接至單個(gè)開(kāi)關(guān)節點(diǎn)，所以無(wú)法轉換成SEPIC。如果能多加關(guān)注由耦合電容、續流二極管和輸出電容形成的回路，那么SEPIC熱回路可以保持較小。

圖4. LT8334 40 V、5 A異步單片式升壓IC被用于SEPIC應用中。SEPIC轉化器熱回路（黃色突出顯示）包含一個(gè)分立式續流二極管和一個(gè)耦合電容，不會(huì )減弱輻射。


圖5. LT8334單芯片40 V、5 A異步開(kāi)關(guān)，集成到微型4 mm × 3 mm 12引腳散熱增強型DFN封裝中。LT8334 SEPIC (EVAL-LT8334-AZ)的熱回路布局中包含這個(gè)微型DFN、一個(gè)陶瓷耦合電容、一個(gè)陶瓷輸出電容和一個(gè)小型續流二極管。

LT8334異步升壓轉換器中包含一個(gè)集成式5 A、40 V開(kāi)關(guān)。這個(gè)單芯片升壓轉換器IC適合用于構建12 V輸出SEPIC轉換器。圖4顯示標準型12 V、2 A+ SEPIC轉換器，其中包含耦合電容C1和耦合電感的兩個(gè)電感線(xiàn)圈。由于微型PMEG4030ER續流二極管D1不是直接附加在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上，所以可以輕松將4.7 μF 0805陶瓷型隔直耦合電容置于二極管和開(kāi)關(guān)節點(diǎn)之間。在EVAL-LT8334-AZ SEPIC評估板上，熱回路布局保持較小。開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的銅面積盡可能保持較小，并且盡可能接近開(kāi)關(guān)引腳，有助于盡可能降低電磁輻射騷擾。請注意，整個(gè)熱回路都布局在1層，且開(kāi)關(guān)節點(diǎn)，或者耦合電容另一側的耦合開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上都沒(méi)有通孔。這些開(kāi)關(guān)節點(diǎn)應盡量保持較小，且盡量接近，以實(shí)現出色結果。LT8334的12引腳DFN封裝有助于熱回路和輻射盡可能保持較小。

受控開(kāi)關(guān)非常有效

單芯片（包括開(kāi)關(guān)）開(kāi)關(guān)轉換器在與SSFM、2 MHz基波開(kāi)關(guān)頻率、出色的PCB布局和受控良好的開(kāi)關(guān)組合使用時(shí)，可以有效幫助降低輻射。如果它們足夠有效，那么可能無(wú)需利用Silent Switcher架構在低輻射方面的巨大優(yōu)勢（Silent Switcher架構是超低輻射黃金標準，但如果只是為了通過(guò)輻射標準，并非在所有情況下都需要用到）。在LT3950和LT8334中，SSFM在基波頻率的基礎上向上擴展約20%，然后以三角形的模式返回。SSFM是低EMI開(kāi)關(guān)穩壓器共有的一個(gè)特征。SSFM有多種類(lèi)型，但是每種類(lèi)型的總體目標是分散輻射能量，并將峰值輻射和平均輻射降低到要求的限值以下。2 MHz開(kāi)關(guān)頻率的一個(gè)目標是將基波開(kāi)關(guān)頻率設置為高于A(yíng)M射頻頻段（530 kHz至1.8 MHz）限制，使基波本身及其所有諧波產(chǎn)生的輻射不會(huì )干擾射頻。當不需要考慮AM頻段時(shí)，可以放心使用更低的開(kāi)關(guān)頻率。

內部開(kāi)關(guān)和驅動(dòng)器不受開(kāi)關(guān)頻率影響，在設計時(shí)應謹慎小心，以避免某些不必要的行為，否則可能會(huì )降低開(kāi)關(guān)轉換器的EMI性能。超快的振鈴開(kāi)關(guān)波形可能會(huì )在100 MHz至400 MHz范圍內產(chǎn)生多余的輻射，在電磁輻射騷擾測量中會(huì )非常明顯。IC中受控良好的開(kāi)關(guān)不應表現得像一個(gè)輻射錘，而應像是一個(gè)開(kāi)關(guān)邊緣被抑制的有效橡皮錘。受控的電源開(kāi)關(guān)能以稍低于可能值的速度讓電壓和電流升高和降低。關(guān)于單芯片轉換器中的這種受控開(kāi)關(guān)，圖6b中的2 V/ns開(kāi)關(guān)速率和缺少振鈴就是一個(gè)不錯的示例。您可以看到，這個(gè)內部開(kāi)關(guān)非常柔和地開(kāi)啟，并達到0 V，后續也不會(huì )出現刺耳的振鈴。這對LT3950的輻射結果做出了很大的貢獻（參考下方的圖9至圖11）。通常，在單芯片開(kāi)關(guān)穩壓器中，開(kāi)關(guān)速度導致最大功率上升，散熱性能下降。但是，如果能精心設計，可以事半功倍。

圖6. LT3950受控開(kāi)關(guān)的上升擺率為2 V/ns，下降擺率為2 V/ns，有助于在LED驅動(dòng)器應用中保持高效率和低EMI，且幾乎不會(huì )產(chǎn)生開(kāi)關(guān)節點(diǎn)振鈴。

帶柵極速率控制的異步升壓控制器

在有些情況下，要進(jìn)行大功率DC-DC轉換，需要在IC外部使用控制器和高壓、高電流開(kāi)關(guān)。在這種情況下，外部開(kāi)關(guān)的柵極驅動(dòng)器仍位于IC內部，但整個(gè)開(kāi)關(guān)熱回路會(huì )移動(dòng)到IC外部。有些創(chuàng )意性的熱回路和布局是有可能實(shí)現的，但因為分立式MOSFET本身的尺寸，熱回路本身一般會(huì )變大。

LT8357 大功率（異步）升壓控制器提供24 V、2 A (48 W)，且輻射非 常低。它以低開(kāi)關(guān)頻率為3.5 mm × 3.5 mm MOSFET供電，以實(shí)現高效轉換。除了緊密的熱回路（圖7）之外，它還通過(guò)上升和下降柵極控制引腳來(lái)實(shí)現邊緣速率控制和減少輻射。使用一個(gè)簡(jiǎn)單的5.1 Ω電阻RP（在GATEP上）就足以降低M1功率MOSFET的開(kāi)啟邊緣速率，并將電磁輻射騷擾保持在盡可能低的水平。當然，一些輻射濾波器和SSFM也有助于減少輻射。EVAL-LT8357-AZ評估板還額外留出了輻射屏蔽位置，但對于大部分應用，可能沒(méi)有必要。這個(gè)異步升壓控制器與它的單片式版本非常相似，具有高功率、低EMI升壓和SEPIC應用所需的所有功能。

圖7. LT8357高壓升壓控制器具有分立式門(mén)引腳，用于單獨控制高功率分立式MOSFET開(kāi)關(guān)邊緣的上升沿和下降沿。黃色方框圈出了分立式柵極引腳。


圖8. 圖7中的LT8357升壓控制器具有出色的輻射和效率性能，RP = 5.1 Ω，RN = 0 Ω。單獨的門(mén)驅動(dòng)引腳允許受控開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，同時(shí)提供快速關(guān)斷。在示意圖中，顏色分別表示：紅色RP = 0，RN = 5.1；黃色RP = 0，RN = 0；綠色RP = 5.1，RN = 0；藍色RP = 5.1，RN = 5.1。

通過(guò)CISPR 25 5類(lèi)輻射標準

對低EMI評估電路（例如LT3950 DC2788A）進(jìn)行了大量測試，以評估其電磁輻射和傳導輻射。圖9至圖11顯示成功的輻射測試結果，在測試時(shí)，SSFM開(kāi)啟，采用12 V輸入，330 mA電流流經(jīng)25 V LED串。電流探針和電壓方法CE的結果都通過(guò)了非常嚴格的限值標準。在開(kāi)關(guān)中，很容易出現FM頻段CE挑戰，但LT3950不受FM頻段影響。

圖9. DC2788A LT3950通過(guò)了(a)平均和(b)峰值CISPR 25 5類(lèi)傳導輻射測試（電流探針?lè )椒ǎ��?/span>


圖10. DC2788A LT3950通過(guò)了(a)平均和(b)峰值CISPR 25 5類(lèi)傳導輻射測試（電壓方法）。


圖11. DC2788A LT3950通過(guò)了(a)平均和(b)峰值CISPR 25 5類(lèi)電磁輻射測試。

將開(kāi)關(guān)頻率設置為2 MHz（300 kHz至2 MHz可調范圍），這樣，基波開(kāi)關(guān)輻射可以保持高于A(yíng)M射頻頻段（530 kHz至1.8 MHz），不會(huì )導致問(wèn)題，且無(wú)需在前端上加裝笨重的LC AM頻段濾波器。取而代之，LT3950使用的EMI濾波器可以是小巧的高頻率鐵氧體磁珠。

雖然熱回路中有額外的耦合電容，耦合電感中有額外的端口（使開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的數量翻倍），LT8334 SEPIC還是能保持低輻射。EVAL-LT8334-AZ SEPIC 12 VOUT 評估套件也使用2 MHz和SSFM，能提供低輻射。EVAL-LT8357-AZ升壓控制器可以實(shí)現相似的性能。有關(guān)這些器件的完整輻射結果、原理圖和測試選項，可以訪(fǎng)問(wèn)analog.com，查看對應的產(chǎn)品登錄頁(yè)面。表1列出了一個(gè)新的低EMI異步升壓和SEPIC轉換器系列。單芯片IC和控制器IC結構簡(jiǎn)單、成本低，采用多種拓撲，具有大功率功能和低輻射，因此非常實(shí)用。當超低輻射成為首要的要求時(shí)，也可以使用高電流Silent Switcher升壓轉換器。

表1. 新型低EMI單芯片升壓轉換器，帶開(kāi)關(guān)邊緣速率控制

結論