低輻射4開關降壓/升壓型控制器佈局

作者 : Yonghwan Cho、Keith Szolusha,作者依序為ADI應用工程師、應用總監

本文專門討論4開關降壓-升壓型控制器的兩種可能解決方案,並比較EMI室的測量結果。

汽車應用電路必須滿足嚴格的EMI標準,以避免干擾廣播和行動服務頻段。在很多情況下,Silent Switcher和Silent Switcher 2解決方案在滿足這些標準方面可以發揮重要作用。但是,在任何情況下,都必須要精心佈局。本文專門討論4開關降壓-升壓型控制器的兩種可能解決方案,並比較EMI室的測量結果。

4開關降壓-升壓轉換器將降壓和升壓控制器結合在單一IC中,當輸出低於輸入時,轉換器作為降壓器;當輸出高於輸入時,轉換器作為升壓器。在輸出和輸入接近的區域中,所有四個開關都可以工作。

功率產品研究團隊利用ADI位於加州聖克拉拉的內部EMI室,對原始雙熱迴路同步佈局的有效性進行了研究,看看能否使用替代佈局來降低EMI雜訊以通過EMI標準。

雙熱迴路佈局要求將熱迴路陶瓷電容對稱放置在功率MOSFET周圍,以遏制EMI雜訊。ADI的感測電阻位置——在電感旁邊且在熱迴路外部——使得這些迴路可以非常小,從而大幅降低熱迴路的天線效應。為了實現這種對稱性並使開關節點能夠到達附近的電感,需要開關節點貫孔,而這可能會影響熱迴路區域。研究團隊利用符合CISPR 25標準的EMI室發現,外露的開關節點和較大熱迴路面積會產生干擾性傳導EMI,尤其是在>30MHz (FM無線電頻段)時,這是最難衰減的頻率範圍。

對於具有單一熱迴路的原始降壓-升壓佈局,透過重新佈置功率MOSFET和熱迴路電容可以改善其最小熱迴路。這種佈局稱為單熱迴路,與之相對應的是雙熱迴路。使用單一熱迴路的好處是不僅開關損耗較小,而且能夠衰減>30MHz的傳導發射(CE),因為熱迴路面積和開關節點的外露部分已最小化。其有效性已透過如下方式得到驗證:使用相同的控制器IC和相同的功率元件,比較新佈局與雙熱迴路佈局的EMI雜訊。實驗使用了一個4個開關降壓-升壓控制器 LT8392及其兩種版本的展示電路(DC2626A rev.2和rev.3)。

佈局比較

圖1顯示了雙熱迴路和單熱迴路的佈局與裝配板照片。每個板都有四層: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,熱迴路電容位於中心MOSFET的左側和右側,形成相同的熱迴路。開關節點過孔用於通過底層(如圖1(c)所示)和第3層將開關節點SW1和SW2連接到主電源電感。SW1和SW2頂層銅節點採用大面積佈局,以耗散電感和MOSFET的熱量,但同時,大部分外露的SW1和SW2銅節點成為EMI輻射源。如果電路板安裝在底盤接地附近,則底盤和開關節點銅之間會形成寄生電容。它使高頻雜訊從開關節點流到底盤接地,影響系統中的其他電路。在符合CISPR 25標準的EMI室中,高頻雜訊流過EMI設置和LISN的接地台,外露的交換節點還會充當天線,引起輻射EMI雜訊。

 

圖1:雙熱迴路和單熱迴路的佈局與照片。

 

然而,單熱迴路在底層沒有外露的開關節點銅,如圖1(d)所示。在圖1(b)所示的頂層,熱迴路電容僅放置在MOSFET的一側,這使得開關節點可以連接到電感而無需使用開關節點貫孔。

在單熱迴路佈局中,頂部和底部MOSFET不對齊,但其中一個旋轉90°以使熱迴路盡可能小。圖1(e)和圖1(f)中的黃色高亮框比較了雙熱迴路與單熱迴路的熱迴路大小。這些框顯示,單熱迴路的熱迴路為雙熱迴路的一半。請注意,圖1(a)所示的雙熱迴路的兩個0402熱迴路電容未被使用,並且1210熱迴路電容被擠壓到MOSFET以使熱迴路最小。

剝離0402電容焊墊附近的阻焊層,以使1210電容連接良好。另外,電感焊墊附近的阻焊層被移除,以在單熱迴路電路中使用該同一電感。熱迴路越小,表示迴路的總電感越小。因此,開關損耗得以減少,開關節點和開關電流的LC振鈴也得以衰減。另外,較小的迴路有助於降低30MHz以上的傳導EMI,因為電磁輻射騷擾會影響該範圍內的傳導EMI。

ADI的專有峰值降壓/峰值升壓電流模式控制方案使得4開關降壓-升壓控制器可以形成最小的熱迴路,電流檢測電阻與主電感串聯。圖2顯示此類元件之一的推薦降壓-升壓佈局。如黃框所示,熱迴路大於雙熱迴路或單熱迴路。此外,檢測電阻的寄生電感增加了熱迴路的總電感。

 

圖2:LM5176的推薦降壓-升壓佈局。

 

EMI比較

雙熱迴路和單熱迴路的EMI是在符合CISPR 25標準的EMI室中測量,結果顯示於圖3,圖中還提供了CISPR 25 Class 5標準限值。EMI結果繪製在同一圖中以比較差異,雙熱迴路用黃線標示,單熱迴路用紅線標示,灰線是在環境條件下測得的雜訊基準。如圖4所示,雙熱迴路的底層的外露開關節點用銅帶遮罩接地,以顯示該較小熱迴路的效果如何。沒有銅遮罩的雙熱迴路的輻射遠高於圖3中的結果。輸出為12V、8A,輸入電壓設定為13V,以使電路操作在4開關切換模式。

 

圖3:雙熱迴路和單熱迴路的EMI比較曲線:(a)電壓法傳導發射峰值和均值,(b)電流探針法傳導發射50mm峰值和均值,(c)電流探針法傳導發射750mm峰值和均值,(d)輻射發射垂直峰值和均值。

 

圖3(a)分別顯示了電壓法傳導發射的峰值和均值。單熱迴路在30MHz以上的CE要低5dBμV,滿足CISPR 25 Class 5標準對峰值和均值CE的要求,而雙熱迴路在FM和VHF頻段(68MHz至約108MHz)的均值有過衝,如黃色高亮框所示。

請注意,在該頻率範圍內降低5dbμv非常有挑戰性。單熱迴路不僅在30MHz的高頻範圍(這是最難衰減的區域)有效,在包括AM頻段(0.53MHz至約1.8MHz)的低頻(< 2MHz)範圍也有效。輻射總是越低越好,尤其是當其為CE時,因為這會影響所有電連接的系統。

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 50mm和750mm的兩個不同位置測量共模傳導發射,而電壓方法測量共模和差模的混合傳導發射。圖3(b)和3(c)比較了雙熱迴路和單熱迴路的電流探針法傳導發射,結果顯示,單熱迴路在30MHz以上(尤其是FM頻段)具有更低的傳導發射,如黃色高亮框所示。與電壓法傳導發射不同,在AM頻段周圍的低頻處,單熱迴路相對於雙熱迴路沒有明顯優勢。

 

圖4:雙熱迴路的底層的遮罩開關節點。

 

最後,圖3(d)顯示了兩種不同降壓-升壓佈局的輻射發射(RE)。結果幾乎相同,不過雙熱迴路的尖峰在大約90MHz時,比單熱迴路高5dbμv/m。

熱比較

圖5顯示了雙熱迴路和單熱迴路的熱比較。熱影像是在9.4V輸入電壓和SSFM開啟的情況下測得。9.4V是4開關工作區域的最低點,此後工作模式切換到輸出電壓為12V的2開關純升壓模式。因此,測試條件最為惡劣。雙熱迴路的最熱元件、升壓側底部MOSFET和單熱迴路的溫度幾乎相同。雖然單熱迴路的底層沒有可以散熱的開關節點通孔和銅,但由於熱迴路較小,其開關損耗低於雙熱迴路。另外,不使用開關節點過孔使得單熱迴路的頂層能夠達到更好的散熱效果,因為MOSFET汲極焊墊和開關節點銅的接觸面積大於雙熱迴路的接觸面積。

 

圖5:(a)雙熱迴路的熱影像,(b)單熱迴路的熱影像。

 

結論

新型高功率設計建議使用新型單熱迴路降壓-升壓佈局。由於開關節點的外露部分和熱迴路面積極小,單熱迴路具有降低傳導和輻射發射的明顯優勢,而不具散熱缺點。

值得注意的是,它能降低30MHz以上的傳導發射,這是最難衰減的頻率區域。由於ADI的4開關降壓-升壓控制器具備專有峰值降壓/峰值升壓電流模式控制特性,因此熱迴路可以做得比競爭元件的熱迴路小很多。該控制特性導致效率更高而EMI更低,使得ADI的4開關降壓-升壓控制器成為汽車應用或任何EMI敏感應用的選擇。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年1月號

 

 

 

 

 

 

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