DC-DC轉(zhuǎn)換器是否必須同步才能實現(xiàn)低輻射？

作者：Keith Szolusha，ADI 應(yīng)用總監(jiān)         Kevin Thai，ADI 應(yīng)用工程師

摘要

本文嘗試展示帶分立式續(xù)流二極管的異步轉(zhuǎn)換器如何還能實現(xiàn)低輻射。其中將會介紹不同類型的轉(zhuǎn)換器、布局和封裝，以及為何受控開關(guān)非常有效，還會詳細介紹在CISPR 25 5類輻射測試中，低EMI評估電路的通過測試結(jié)果。

簡介

同步Silent Switcher^®轉(zhuǎn)換器已經(jīng)為功能強大、結(jié)構(gòu)緊湊且安靜的DC-DC轉(zhuǎn)換設(shè)定了黃金標準。在過去5年多的時間里，我們了解到了大量這些低EMI同步降壓和升壓轉(zhuǎn)換器。這些DC-DC轉(zhuǎn)換器簡化了在高功率、噪聲敏感環(huán)境中的系統(tǒng)級EMC設(shè)計，例如冷啟動預升壓、驅(qū)動大電流LED串和高壓功率放大器聲音系統(tǒng)。與基于控制器的設(shè)計相比，單芯片（集成電源開關(guān)）升壓穩(wěn)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。

集成式同步開關(guān)及其在硅芯片¹中的獨特布局是Silent Switcher轉(zhuǎn)換器“秘訣”的一部分。板載（集成式）開關(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(yīng)用都需要同步開關(guān)。如果只是將單個電源開關(guān)集成到硅芯片中，并且可以依賴外部低成本分立式續(xù)流二極管來作為第二開關(guān)，那么開關(guān)轉(zhuǎn)換器的成本會降低。這種做法在較低成本轉(zhuǎn)換器中很常見，但是，如果低輻射非常重要，是否仍然可以如此？

帶分立式續(xù)流二極管的異步轉(zhuǎn)換器仍然可以實現(xiàn)低輻射。如果在設(shè)計時特別注意熱回路布局和dV/dt開關(guān)邊緣速率，那么有可能使用異步轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)低EMI開關(guān)應(yīng)用。在展頻(SSFM)中集成降低輻射的額外措施是必要的。單芯片開關(guān)穩(wěn)壓器，例如LT3950 60 V、1.5 A異步LED驅(qū)動器和LT8334 40 V、5 A異步升壓轉(zhuǎn)換器，每個都在器件中集成了單個低端電源開關(guān)，但它們依賴外部續(xù)流二極管，同時仍然可以實現(xiàn)低輻射！它的工作原理是什么呢？

圖1.(a) 異步單芯片升壓轉(zhuǎn)換器具有單個熱回路，其中包含一個外部續(xù)流二極管。
(b) Silent Switcher轉(zhuǎn)換器具有兩個（相反）熱回路和全集成開關(guān)。

續(xù)流二極管與死區(qū)時間的關(guān)系

在單芯片轉(zhuǎn)換器中集成一個而不是兩個電源開關(guān)，可以使芯片尺寸減小30%到40%。芯片尺寸減小可以直接節(jié)省硅芯片成本，當硅芯片能夠集成到更小封裝中時，可以進一步實現(xiàn)二次成本降低。雖然有些PCB空間仍然需要專用于外部分立式續(xù)流二極管，但這些二極管數(shù)量多、可靠且價格便宜。在升壓轉(zhuǎn)換器中，具有低V_F的肖特基二極管在高輸出電壓和低占空比下具有高效率，可以說性能優(yōu)于價格昂貴的高壓功率FET。

原因之一可能是因為死區(qū)時間。在典型的同步轉(zhuǎn)換器中，在預設(shè)的死區(qū)時間內(nèi)會發(fā)生電源開關(guān)體二極管導通，以防止?jié)撛诘膿舸﹩栴}。如果同步開關(guān)在主開關(guān)能夠完全關(guān)閉之前打開，則會發(fā)生擊穿，導致輸入或輸出（降壓或升壓）直接對地短路。在高開關(guān)頻率及最小和最大占空比限值下，死區(qū)時間控制會成為開關(guān)設(shè)計中的一個限制因素。使用具有低正向電壓的低成本續(xù)流二極管之后，無需再在開關(guān)中提供死區(qū)時間邏輯——非常簡單。在大多數(shù)情況下，它們也優(yōu)于功率開關(guān)（在死區(qū)時間期間導電）內(nèi)部固有的體二極管的正電壓壓降。

簡單布局和封裝

首先，我們可以從簡單的單芯片升壓轉(zhuǎn)換器著手來展示基本的布局。圖2中的LT3950 60 V、1.5 A LED驅(qū)動器具有簡單的PCB熱回路。這個熱回路（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(xù)流二極管PMEG6010CEH。這些組件與LT3950 16引腳MSE封裝，以及散熱盤的開關(guān)引腳和GND面緊密貼合。如此足以實現(xiàn)低輻射嗎？這當然只是公式的一部分。線焊16引腳MSE封裝和緊密的熱回路結(jié)合SSFM和受控良好的開關(guān)行為（開關(guān)電源過渡不會因為非常高的速度和寄生走線電感而振鈴），可以實現(xiàn)低輻射。

圖2.LT3950 (DC2788A)異步熱回路包括D1續(xù)流二極管。
盡管如此，續(xù)流二極管和輸出電容仍與LT3950 16引腳MSE封裝緊密貼合。
突出顯示的異步開關(guān)節(jié)點小且緊湊，但并非不可能。開關(guān)節(jié)點的布局可能是實現(xiàn)低輻射結(jié)果的關(guān)鍵。

圖3.LT3950 LED驅(qū)動器是一個異步單芯片1.5 A、60 V升壓轉(zhuǎn)換器。
升壓轉(zhuǎn)換器熱回路（黃色突出顯示）包含一個分立式續(xù)流二極管，不會減弱高頻率輻射。

接下來，可以使用異步轉(zhuǎn)換器的單個開關(guān)來形成SEPIC拓撲（升壓和降壓），以擴展其實用性，不止局限于預期的升壓用途。因為是單開關(guān)，所以很容易斷開升壓轉(zhuǎn)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(shù)同步升壓轉(zhuǎn)換器的頂部和底部開關(guān)都永久連接至單個開關(guān)節(jié)點，所以無法轉(zhuǎn)換成SEPIC。如果能多加關(guān)注由耦合電容、續(xù)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(yīng)用中。
SEPIC轉(zhuǎn)化器熱回路（黃色突出顯示）包含一個分立式續(xù)流二極管和一個耦合電容，不會減弱輻射。


圖5.LT8334單芯片40 V、5 A異步開關(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微型DFN、
一個陶瓷耦合電容、一個陶瓷輸出電容和一個小型續(xù)流二極管。

LT8334異步升壓轉(zhuǎn)換器中包含一個集成式5 A、40 V開關(guān)。這個單芯片升壓轉(zhuǎn)換器IC適合用于構(gòu)建12 V輸出SEPIC轉(zhuǎn)換器。圖4顯示標準型12 V、2 A+ SEPIC轉(zhuǎn)換器，其中包含耦合電容C1和耦合電感的兩個電感線圈。由于微型PMEG4030ER續(xù)流二極管D1不是直接附加在開關(guān)節(jié)點上，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關(guān)節(jié)點之間。在EVAL-LT8334-AZ SEPIC評估板上，熱回路布局保持較小。開關(guān)節(jié)點的銅面積盡可能保持較小，并且盡可能接近開關(guān)引腳，有助于盡可能降低電磁輻射騷擾。請注意，整個熱回路都布局在1層，且開關(guān)節(jié)點，或者耦合電容另一側(cè)的耦合開關(guān)節(jié)點上都沒有通孔。這些開關(guān)節(jié)點應(yīng)盡量保持較小，且盡量接近，以實現(xiàn)出色結(jié)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。

受控開關(guān)非常有效

單芯片（包括開關(guān)）開關(guān)轉(zhuǎn)換器在與SSFM、2 MHz基波開關(guān)頻率、出色的PCB布局和受控良好的開關(guān)組合使用時，可以有效幫助降低輻射。如果它們足夠有效，那么可能無需利用Silent Switcher架構(gòu)在低輻射方面的巨大優(yōu)勢（Silent Switcher架構(gòu)是超低輻射黃金標準，但如果只是為了通過輻射標準，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(chǔ)上向上擴展約20%，然后以三角形的模式返回。SSFM是低EMI開關(guān)穩(wěn)壓器共有的一個特征。SSFM有多種類型，但是每種類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開關(guān)頻率的一個目標是將基波開關(guān)頻率設(shè)置為高于AM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)生的輻射不會干擾射頻。當不需要考慮AM頻段時，可以放心使用更低的開關(guān)頻率。

內(nèi)部開關(guān)和驅(qū)動器不受開關(guān)頻率影響，在設(shè)計時應(yīng)謹慎小心，以避免某些不必要的行為，否則可能會降低開關(guān)轉(zhuǎn)換器的EMI性能。超快的振鈴開關(guān)波形可能會在100 MHz至400 MHz范圍內(nèi)產(chǎn)生多余的輻射，在電磁輻射騷擾測量中會非常明顯。IC中受控良好的開關(guān)不應(yīng)表現(xiàn)得像一個輻射錘，而應(yīng)像是一個開關(guān)邊緣被抑制的有效橡皮錘。受控的電源開關(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(zhuǎn)換器中的這種受控開關(guān)，圖6b中的2 V/ns開關(guān)速率和缺少振鈴就是一個不錯的示例。您可以看到，這個內(nèi)部開關(guān)非常柔和地開啟，并達到0 V，后續(xù)也不會出現(xiàn)刺耳的振鈴。這對LT3950的輻射結(jié)果做出了很大的貢獻（參考下方的圖9至圖11）。通常，在單芯片開關(guān)穩(wěn)壓器中，開關(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(shè)計，可以事半功倍。

(a)                              (b)
圖6.LT3950受控開關(guān)的上升擺率為2 V/ns，下降擺率為2 V/ns，
有助于在LED驅(qū)動器應(yīng)用中保持高效率和低EMI，且?guī)缀醪粫�產(chǎn)生開關(guān)節(jié)點振鈴。

帶柵極速率控制的異步升壓控制器

在有些情況下，要進行大功率DC-DC轉(zhuǎn)換，需要在IC外部使用控制器和高壓、高電流開關(guān)。在這種情況下，外部開關(guān)的柵極驅(qū)動器仍位于IC內(nèi)部，但整個開關(guān)熱回路會移動到IC外部。有些創(chuàng)意性的熱回路和布局是有可能實現(xiàn)的，但因為分立式MOSFET本身的尺寸，熱回路本身一般會變大。

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。它以低開關(guān)頻率為3.5 mm × 3.5 mm MOSFET供電，以實現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換。除了緊密的熱回路（圖7）之外，它還通過上升和下降柵極控制引腳來實現(xiàn)邊緣速率控制和減少輻射。使用一個簡單的5.1 Ω電阻RP（在GATEP上）就足以降低M1功率MOSFET的開啟邊緣速率，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(yīng)用，可能沒有必要。這個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(yīng)用所需的所有功能。

圖7.LT8357高壓升壓控制器具有分立式門引腳，
用于單獨控制高功率分立式MOSFET開關(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，R_P = 5.1 Ω，R_N = 0 Ω。
單獨的門驅(qū)動引腳允許受控開關(guān)開啟，同時提供快速關(guān)斷。
在示意圖中，顏色分別表示：紅色R_P = 0，R_N = 5.1；黃色R_P = 0，R_N = 0；
綠色R_P = 5.1，R_N = 0；藍色R_P = 5.1，R_N = 5.1。

通過CISPR 25 5類輻射標準

對低EMI評估電路（例如LT3950 DC2788A）進行了大量測試，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(jié)果，在測試時，SSFM開啟，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(jié)果都通過了非常嚴格的限值標準。在開關(guān)中，很容易出現(xiàn)FM頻段CE挑戰(zhàn)，但LT3950不受FM頻段影響。

圖9.DC2788A LT3950通過了(a)平均和(b)峰值CISPR 25 5類傳導輻射測試（電流探針方法）。


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


圖11.DC2788A LT3950通過了(a)平均和(b)峰值CISPR 25 5類電磁輻射測試。

將開關(guān)頻率設(shè)置為2 MHz（300 kHz至2 MHz可調(diào)范圍），這樣，基波開關(guān)輻射可以保持高于AM射頻頻段（530 kHz至1.8 MHz），不會導致問題，且無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（使開關(guān)節(jié)點的數(shù)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升壓控制器可以實現(xiàn)相似的性能。有關(guān)這些器件的完整輻射結(jié)果、原理圖和測試選項，可以訪問analog.com，查看對應(yīng)的產(chǎn)品登錄頁面。表1列出了一個新的低EMI異步升壓和SEPIC轉(zhuǎn)換器系列。單芯片IC和控制器IC結(jié)構(gòu)簡單、成本低，采用多種拓撲，具有大功率功能和低輻射，因此非常實用。當超低輻射成為首要的要求時，也可以使用高電流Silent Switcher升壓轉(zhuǎn)換器。

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

結(jié)論

同步Silent Switcher和異步單芯片開關(guān)穩(wěn)壓器都可以用于低輻射應(yīng)用。與超高性能的Silent Switcher轉(zhuǎn)換器相比，異步升壓轉(zhuǎn)換器的成本更低。第二個開關(guān)被低成本續(xù)流二極管替代，后者在高壓下具有一定優(yōu)勢，能夠靈活地重新配置為SEPIC。當功率開關(guān)邊緣速率受到良好控制，且提供有限的振鈴時，小型塑料封裝和PCB中經(jīng)過精心設(shè)計的小型熱開關(guān)回路區(qū)域都提供低輻射。這些特性應(yīng)與其他低EMI特性（例如SSFM和EMI濾波器）結(jié)合。即使在高功率升壓控制器中，柵極驅(qū)動控制也有助于降低和平緩開關(guān)邊緣，以實現(xiàn)低輻射。請?zhí)貏e注意熱回路的最佳頂層布局，并明智地選擇您的DC-DC轉(zhuǎn)換器，以實現(xiàn)低輻射設(shè)計。ADI公司推出的低EMI升壓轉(zhuǎn)換器系列可能剛好能夠滿足您的需求。