DC-DC轉(zhuǎn)換器是否必須同步以實(shí)現(xiàn)低輻射

作者：Keith SzolushaandKevin Thai

本文旨在展示帶有分立續(xù)位二極管的異步轉(zhuǎn)換器如何仍能實(shí)現(xiàn)低輻射。本文將介紹不同類型的轉(zhuǎn)換器、布局和封裝，以及控制開關(guān)為何有效。它還將詳細(xì)介紹CISPR 25 5類輻射測(cè)試的低EMI評(píng)估電路的通過測(cè)試結(jié)果。

介紹

同步靜音切換器轉(zhuǎn)換器為強(qiáng)大的、 緊湊、安靜的DC-DC轉(zhuǎn)換。在過去的5+年中，我們已經(jīng)介紹了大量這些低EMI同步降壓和升壓轉(zhuǎn)換器。這些DC-DC轉(zhuǎn)換器簡化了高功率、噪聲敏感環(huán)境中的系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì)，例如冷啟動(dòng)預(yù)升壓、驅(qū)動(dòng)大電流LED串和高壓功率放大器音響系統(tǒng)。與基于控制器的設(shè)計(jì)相比，單片（集成電源開關(guān)）升壓穩(wěn)壓器提供了一種高效、更緊湊的解決方案，通常用于 5 V、12 V 和 24 V 的源電壓。?

集成同步開關(guān)及其在芯片內(nèi)的獨(dú)特布局1是靜音開關(guān)轉(zhuǎn)換器秘密武器的一部分。板載（集成）開關(guān)可形成超微小的熱回路，有助于將排放保持在最低限度。但是，這可能會(huì)帶來成本，并且并非所有應(yīng)用都需要同步開關(guān)。如果硅片中僅集成一個(gè)電源開關(guān)，則開關(guān)轉(zhuǎn)換器的成本會(huì)更低，我們可以依靠外部低成本分立續(xù)位二極管作為第二個(gè)開關(guān)。這是低成本轉(zhuǎn)換器的常見做法，但是當(dāng)?shù)团欧藕苤匾獣r(shí)，這樣做可以嗎？

帶有分立續(xù)位二極管的異步轉(zhuǎn)換器仍然可以實(shí)現(xiàn)低輻射。通過特別注意熱回路布局和dV/dt開關(guān)邊沿速率，可以設(shè)計(jì)具有異步轉(zhuǎn)換器的低EMI開關(guān)應(yīng)用。必須將額外的減排與擴(kuò)頻頻率調(diào)制（SSFM）相結(jié)合。LT395060 V、1.5 A異步LED驅(qū)動(dòng)器和LT833440 V、5 A異步升壓轉(zhuǎn)換器等單芯片開關(guān)穩(wěn)壓器均在其器件中集成了一個(gè)低側(cè)電源開關(guān)，但它們依靠外部箝位二極管，同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)低輻射！這是如何工作的？

圖1.（a） 異步單芯片升壓轉(zhuǎn)換器具有單個(gè)熱回路，其中包括一個(gè)外部箝位二極管。（b） 靜音切換器轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)（相對(duì)的）熱回路和完全集成的開關(guān)。

捕獲二極管與死區(qū)時(shí)間

在單片式轉(zhuǎn)換器中集成一個(gè)電源開關(guān)而不是兩個(gè)電源開關(guān)可以減少 芯片尺寸減小30%至40%。芯片尺寸減小可直接節(jié)省硅成本，當(dāng)硅可以裝入更小的封裝時(shí)，還可以節(jié)省額外的二次成本。雖然仍然需要一些PCB空間專用于外部分立式箝位二極管，但這些二極管數(shù)量充足、堅(jiān)固且價(jià)格便宜。在升壓轉(zhuǎn)換器中，低V肖特基二極管F在高輸出電壓和低占空比下具有高效率，可以說優(yōu)于昂貴的高壓功率FET。

一個(gè)原因可能是由于死區(qū)時(shí)間。在典型的同步轉(zhuǎn)換器中，電源開關(guān)體二極管導(dǎo)通發(fā)生在預(yù)設(shè)的死區(qū)時(shí)間內(nèi)，以防止?jié)撛诘膿舸?zāi)難。當(dāng)同步開關(guān)在主開關(guān)能夠完全關(guān)閉之前導(dǎo)通時(shí)，就會(huì)發(fā)生擊穿，從而從輸入或輸出（降壓或升壓）直接短路至GND。死區(qū)時(shí)間控制可能是開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)在高開關(guān)頻率以及最小和最大占空比限值下的一個(gè)限制方面。具有低正向電壓的低成本箝位二極管消除了開關(guān)穩(wěn)壓器中對(duì)死區(qū)時(shí)間邏輯的需求，非常簡單。在大多數(shù)情況下，它們的性能也優(yōu)于功率開關(guān)內(nèi)固有體二極管的正向壓降（在死區(qū)時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通）。

簡單的布局和包

首先，我們可以從一個(gè)簡單的單芯片升壓轉(zhuǎn)換器開始，演示基本布局。圖2所示的LT3950 60 V、1.5 A LED驅(qū)動(dòng)器具有一個(gè)簡單的PCB熱回路。該熱回路如圖3所示，僅包括小型陶瓷輸出電容和尺寸相似的分立續(xù)位二極管PMEG6010CEH。這些組件與 LT3950 16 引腳 MSE 封裝以及散熱焊盤的開關(guān)引腳和 GND 平面緊密貼合。這對(duì)于低排放來說足夠了嗎？它肯定是等式的一部分。引線鍵合的 16 引腳 MSE 封裝和緊密的熱回路與 SSFM 和良好控制的開關(guān)行為（由于非常高的速度和寄生走線電感而不會(huì)振鈴的開關(guān)邊沿轉(zhuǎn)換）相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)低輻射。

圖2.LT3950 （DC2788A） 異步熱環(huán)路包括 D1 箝位二極管。盡管如此，箝位二極管和輸出電容器還是與 LT3950 16 引腳 MSE 封裝緊密貼合。突出顯示的異步開關(guān)節(jié)點(diǎn)小巧緊湊，但并非不可能。開關(guān)節(jié)點(diǎn)的布局對(duì)于低輻射結(jié)果至關(guān)重要。

圖3.LT3950 LED驅(qū)動(dòng)器是一款異步單芯片1.5 A、60 V升壓轉(zhuǎn)換器。升壓轉(zhuǎn)換器熱回路（以黃色突出顯示）包括一個(gè)分立式箝位二極管，而不會(huì)影響高頻發(fā)射。

接下來，異步轉(zhuǎn)換器的單個(gè)開關(guān)可用于創(chuàng)建SEPIC拓?fù)洌ㄉ龎汉徒祲海?，從而將?shí)用性擴(kuò)展到預(yù)期的升壓指定之外。單個(gè)開關(guān)可輕松斷開升壓的熱回路，并添加圖4和圖5所示的SEPIC耦合電容。大多數(shù)頂部和底部開關(guān)永久連接在單個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的同步升壓轉(zhuǎn)換器無法轉(zhuǎn)換為SEPIC。如果注意耦合電容、箝位二極管和輸出電容形成的環(huán)路，SEPIC熱回路可以保持很小。

圖4.LT8334 40 V、5 A異步單芯片升壓IC用于SEPIC應(yīng)用。SEPIC轉(zhuǎn)換器熱回路（以黃色突出顯示）包括一個(gè)分立式箝位二極管和一個(gè)耦合電容，而不會(huì)影響輻射。

圖5.LT8334 單通道 40 V、5 A 異步開關(guān)適合纖巧的 4 mm × 3 mm 12 引腳耐熱增強(qiáng)型 DFN 封裝。LT8334 SEPIC（EVAL-LT8334-AZ）的熱回路布局包括這個(gè)纖巧的DFN、一個(gè)陶瓷耦合電容器、一個(gè)陶瓷輸出電容器和一個(gè)小型箝位二極管。

LT8334 異步升壓轉(zhuǎn)換器集成了一個(gè) 5 A、40 V 開關(guān)。這款單芯片升壓轉(zhuǎn)換器IC可用于制造12 V輸出SEPIC轉(zhuǎn)換器。圖4所示為標(biāo)準(zhǔn)12 V、2 A+ SEPIC轉(zhuǎn)換器，帶有耦合電容C1和耦合電感的兩個(gè)電感繞組。由于微型PMEG4030ER箝位二極管D1不直接固定在開關(guān)節(jié)點(diǎn)上，因此可以輕松地在二極管和開關(guān)節(jié)點(diǎn)之間放置4.7 μF 0805陶瓷隔直耦合電容。EVAL-LT8334-AZ SEPIC評(píng)估板上的熱回路布局仍然很小。保持開關(guān)節(jié)點(diǎn)銅盡可能小，并盡可能靠近開關(guān)引腳，有助于最大限度地減少輻射發(fā)射。請(qǐng)注意，整個(gè)熱回路位于第 1 層，開關(guān)節(jié)點(diǎn)或耦合電容器另一側(cè)的耦合開關(guān)節(jié)點(diǎn)上都沒有過孔。這兩個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)都應(yīng)保持最小大小并盡可能接近以獲得最佳結(jié)果。LT8334 的 12 引腳 DFN 封裝有助于盡可能減小熱回路和輻射。

受控開關(guān)有效

單片式（包含開關(guān)）開關(guān)轉(zhuǎn)換器與 SSFM、2 MHz 基頻開關(guān)頻率、出色的 PCB 布局和良好控制的開關(guān)相結(jié)合，在減排方面非常有效。如果它們足夠有效，它們可能不需要靜音切換器架構(gòu)的極端優(yōu)勢(shì)來實(shí)現(xiàn)低輻射（靜音切換器架構(gòu)是超低輻射的黃金標(biāo)準(zhǔn)，但并非在所有情況下都需要通過排放標(biāo)準(zhǔn)）。在 LT3950 和 LT8334 中，SSFM 從基頻擴(kuò)展到高出約 20%，然后以三角形模式返回。SSFM是低EMI開關(guān)穩(wěn)壓器的共同特征。SSFM有多種類型，但每種類型的總體目標(biāo)是分散排放能量，并將峰值和平均排放的最高點(diǎn)降低到所需限值以下。2 MHz開關(guān)頻率的一個(gè)目標(biāo)是將基波開關(guān)頻率設(shè)置為AM無線電頻段（530 kHz至1.8 MHz）限制以上，以便基波本身及其所有諧波在不干擾無線電的情況下產(chǎn)生輻射。當(dāng)不需要AM頻段時(shí)，可以不用擔(dān)心使用較低的開關(guān)頻率。

與開關(guān)頻率無關(guān)，內(nèi)部開關(guān)和驅(qū)動(dòng)器應(yīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)，以避免某些不必要的行為，這些行為會(huì)導(dǎo)致開關(guān)轉(zhuǎn)換器的EMI性能下降。超快的振鈴開關(guān)波形會(huì)導(dǎo)致 100 MHz 至 400 MHz 范圍內(nèi)的無用輻射，這在輻射發(fā)射測(cè)量中最為明顯。IC內(nèi)部控制良好的開關(guān)不應(yīng)像發(fā)射錘，而更像是開關(guān)邊緣受阻的有效橡膠槌。受控電源開關(guān)以略低于可能速率的速率上下移動(dòng)高電壓和電流。圖6b中的2 V/ns開關(guān)速率和無振鈴是單芯片轉(zhuǎn)換器中這種受控開關(guān)的一個(gè)很好的例子。您可以看到該內(nèi)部開關(guān)在 0 V 時(shí)打開和輕輕著陸的柔和程度，而不會(huì)產(chǎn)生刺耳的振鈴。這是對(duì)LT3950的發(fā)射結(jié)果的一個(gè)主要貢獻(xiàn)（參見下面的圖9至圖11）。通常，在單片式開關(guān)穩(wěn)壓器中，開關(guān)的速度會(huì)提高最大功率并降低散熱。然而，當(dāng)精心設(shè)計(jì)時(shí)，少即是多。

圖6.LT3950 受控開關(guān)壓擺率為 2 V/ns 上升和 2 V/ns 下降，可有效在開關(guān)節(jié)點(diǎn)環(huán)條很少的 LED 驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中保持高效率和低 EMI。

具有柵極速率控制的異步升壓控制器

在某些時(shí)候，高功率DC-DC轉(zhuǎn)換需要控制器和IC外部的高電壓、高電流開關(guān)。在這種情況下，外部開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器保留在IC內(nèi)部，但整個(gè)開關(guān)熱回路移動(dòng)到IC外部。一些創(chuàng)造性的熱回路和布局是可能的，但熱回路本身通常僅由于分立MOSFET的尺寸而增長。

LT8357高功率（異步）升壓控制器提供 24 V、2 A （48 W） 的極低輻射。它以低開關(guān)頻率為 3.5 mm × 3.5 mm MOSFET 供電，以實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換。除了緊密的熱回路（圖 7）外，它還具有上升和下降柵極控制引腳，用于邊沿速率控制和減少排放。一個(gè)簡單的 5.1 Ω電阻 RP（在 GATEP 上）足以降低 M1 功率 MOSFET 的導(dǎo)通邊沿速率，并將輻射發(fā)射保持在最低水平。當(dāng)然，一些排放過濾器和SSFM有助于減少排放。EVAL-LT8357-AZ評(píng)估板提供了一個(gè)額外的發(fā)射屏蔽位置，但對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說可能不是必需的。這款異步升壓控制器與單芯片控制器非常相似，具有高功率、低EMI升壓和SEPIC應(yīng)用所需的所有特性。

圖7.LT8357 高電壓升壓控制器具有分離柵極引腳，用于單獨(dú)控制高功率分立式 MOSFET 開關(guān)邊沿的上升沿和下降沿。黃色輪廓聚焦于分離式柵極引腳。

圖8.LT8357圖7升壓具有最佳的輻射和效率性能，具有RP= 5.1 Ω 和 RN= 0 Ω.一個(gè)單獨(dú)的柵極驅(qū)動(dòng)引腳允許受控開關(guān)導(dǎo)通，同時(shí)提供快速關(guān)斷。在圖中，顏色代表：紅色 RP= 0， RN= 5.1;黃色 RP= 0， RN= 0;綠色 RP= 5.1， RN= 0;和藍(lán)色 RP= 5.1， RN= 5.1。

EVAL-LT8357-AZ 評(píng)估板，但對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用可能不是必需的。這款異步升壓控制器與單芯片控制器非常相似，具有高功率、低EMI升壓和SEPIC應(yīng)用所需的所有特性。

通過 CISPR 25 5 類排放

低 EMI 評(píng)估電路（如 LT3950 DC2788A）已經(jīng)過廣泛的輻射和傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試。圖9至圖11中的成功發(fā)射測(cè)試結(jié)果是在SSFM開啟、12 V輸入和330 mA電流通過25 V LED串的情況下捕獲的。電流探頭和電壓法CE結(jié)果均通過了最嚴(yán)格的限制。在切換器中，F(xiàn)M頻段CE挑戰(zhàn)是很常見的，但LT3950則受FM頻段的影響。

圖9.DC2788A LT3950 同時(shí)通過 （a） 平均值 （b） 和峰值 CISPR 25 5 類傳導(dǎo)發(fā)射 （電流探針法）。

圖 10.DC2788A LT3950 同時(shí)通過 （a） 平均和 （b） 峰值 CISPR 25 5 類傳導(dǎo)發(fā)射 （電壓法）。

圖 11.DC2788A LT3950 通過 （a） 平均和 （b） 峰值 CISPR 25 5 類輻射發(fā)射。

將開關(guān)頻率設(shè)置為 2 MHz（300 kHz 至 2 MHz 可調(diào)范圍）可使基波開關(guān)輻射保持在 AM 無線電頻段（530 kHz 至 1.8 MHz）以上，從而避免出現(xiàn)問題，同時(shí)無需在前端安裝笨重的 LC AM 頻段濾波器。相反，LT3950 使用的 EMI 濾波器可以是小型高頻鐵氧體磁珠。

盡管熱回路中增加了耦合電容器，并且耦合電感器的額外端子（使開關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加了一倍），但LT8334 SEPIC還具有低輻射。EVAL-LT8334-AZSEPIC 12 VOUT評(píng)估套件還采用2 MHz和SSFM，具有低輻射。EVAL-LT8357-AZ升壓控制器可以實(shí)現(xiàn)類似的性能。完整的發(fā)射結(jié)果、原理圖和測(cè)試選項(xiàng)可以在 analog.com 上這些器件的產(chǎn)品登錄頁面上找到。表1列出了一個(gè)新的低EMI異步升壓和SEPIC轉(zhuǎn)換器系列。單片和控制器IC因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高功率能力和低輻射而非常有用。高電流靜音開關(guān)升壓轉(zhuǎn)換器也可用于最需要超低輻射的情況。

結(jié)論

同步靜音開關(guān)穩(wěn)壓器和異步單片開關(guān)穩(wěn)壓器均可用于低輻射應(yīng)用。與超高性能靜音開關(guān)轉(zhuǎn)換器相比，異步升壓轉(zhuǎn)換器的成本更低。第二個(gè)開關(guān)被低成本箝位二極管取代，該二極管在高壓下具有一些優(yōu)勢(shì)，并且可以靈活地重新配置為SEPIC。當(dāng)電源開關(guān)邊沿速率得到良好控制且振鈴有限時(shí)，PCB的小型塑料封裝和精心設(shè)計(jì)的小型熱開關(guān)環(huán)路區(qū)域具有低輻射。這些特性應(yīng)與其他低EMI特性（如SSFM和EMI濾波器）相結(jié)合。即使在高功率升壓控制器中，柵極驅(qū)動(dòng)控制也可用于減慢和平滑開關(guān)邊沿，以實(shí)現(xiàn)低輻射。特別注意熱回路的最佳頂層布局，并明智地選擇DC-DC轉(zhuǎn)換器以實(shí)現(xiàn)低輻射設(shè)計(jì)。ADI公司的低EMI升壓轉(zhuǎn)換器系列可能正是您所需要的。

審核編輯：郭婷