用于增强汽车设计的DC/DC降压转换器

随着制造商的目标是通过添加传感器和新的电子功能来提高他们的功率水平，汽车现在正在不断改进。因此，在汽车领域工作的工程师专注于依靠降压转换器的拓扑来满足新的效率标准。

降压转换器可以以更高的效率提供比典型 LDO 更大的功率，但有一个缺点——它的开关特性会产生电磁干扰 (EMI)，这对于汽车应用来说可能是一个严重的问题。幸运的是，工程师可以使用许多技巧和工具来降低 EMI，包括优化电路板布局、利用 IC 功能和添加电路。

DC/DC 转换器通过输入纹波、与附近电路的电和磁耦合以及电磁辐射产生 EMI。EMI 会干扰 AM/FM 无线电接收器和其他敏感设备，例如音响主机或高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 传感器。显着的 EMI 会在无线电和音响主机音频中产生静态噪声或其他类型的噪声，干扰 ADAS 传感器，并降低其他系统的性能。

为防止出现如此严重的性能下降，工程师需要设计符合官方标准的系统，例如 Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 25 Class 5。在电路板布局期间遵循良好的布局优化实践。降压转换器最重要的做法是：

减少电压快速变化（高 dv/dt）的节点表面积，以及

通过快速变化的电流（高 di/dt）减少电流回路的面积。

这两个基本规则将规定工程师将某些组件放置在何处以最小化 EMI。

不幸的是，即使是最优化的 PCB 布局也无法防止所有与 EMI 相关的问题。此外，由于电路板尺寸和形状或时间限制，通常不可能像我们希望的那样优化 EMI 布局。例如，非常紧凑的布局可能需要您将功率电感器放置在电路板的底部，或者将输入电容器放置在距离 IC 稍远的位置，而不是将 EMI 降至最低的最佳位置。

这些和其他布局限制会导致 EMI，从而降低系统性能。即使有经验和细心，电路板也可能需要进一步优化。这些额外的董事会修订需要时间和金钱。那么，除了优化布局以最大程度降低应用的 EMI 之外，您还能做什么？

绕过电路板布局限制

如果无法优化布局以获得最佳 EMI，一些 DC/DC 转换器会在设备级别提供许多封装和功能改进，以帮助最大限度地减少 EMI，并使其更容易满足 CISPR 25 5 类限制。这些特性使电路板设计更加与布局无关；换句话说，它们可以帮助弥补布局缺陷。

例如，扩频是一种扩展谐波能量以减少峰值和平均 EMI 测量值的功能。它通过抖动开关频率（加减某个百分比）来扩展频谱密度来实现这一点。例如，扩展 ±2% 将看到 25次 和更高次谐波上的谐波能量完全混合或重叠，而不是固定频率，这将保持谐波尖峰间隔在基频处。能量在较高频率中均匀分布，导致测量值的包络较低，需要较少的滤波和较少的布局优化，从而节省时间和金钱。

压摆率控制是另一个有助于提高 EMI 性能的特性。EMI 的主要来源是开关环。开关振铃是由高边场效应管的快速导通引起的，它迅速从输入电容中拉出电流，导致输入寄生环路电感和寄生电容的谐振引起数百兆赫兹的振铃低侧 FET。减缓这个上升时间会减缓这个直接的电流消耗，从而减少振铃和 EMI。可以通过添加一个与启动电容器串联的电阻器（大约几欧姆）来减慢上升时间，并且某些设备具有专用的启动电阻器引脚。这里有一个权衡：放慢 FET 的转换可以最大限度地减少 EMI，但也会增加开关损耗，从而降低效率。

还有一些封装级特性有助于抑制 EMI。一个例子是 TI 的 HotRod 封装，它消除了内部键合线，如图 1所示 。不连续的电流会导致开关节点上数百兆赫兹的振铃，耦合和辐射，从而导致 EMI。移除输入电容器不连续电流的高 di/dt 回路路径中的接合线会降低回路电感。这反过来又会降低振铃中的能量，从而降低 EMI。LM61460-Q1 和 LM53635-Q1  （转换器）等器件采用 HotRod 封装。

图 1 此横截面图让工程师可以比较标准的丝焊四方扁平无引线 (QFN) 封装和 TI 的 HotRod QFN。资料来源： 德州仪器

其他封装级特性包括优化的引脚排列。器件可以通过组织引脚布局来提高 EMI 性能，从而使输入电容器等关键路径保持尽可能小。设备通常将 VIN 和 GND（或 PGND）引脚彼此相邻放置，以便为连接电容器提供最佳位置。

更进一步的是对称引脚排列。将 VIN/PGND 对称放置在封装的任一侧允许输入回路磁场自给自足，从而进一步降低 EMI。许多 DC/DC 降压转换器，例如 LMR33630、LMR36015、LM61460 和 LMQ61460-Q1，都具有对称的 VIN/PGND 引脚对（图 2b）。

集成输入电容器

下一代 EMI 优化封装使用集成电容器来进一步降低输入寄生电感。LMQ61460-Q1 在任一侧包括两个集成输入旁路电容器，每个 VIN/PGND 对一个。这些电容器是横跨图 2a中所示的右上和右下引脚对（VIN 和 PGND）的黑色矩形 。图 2b 显示了器件引脚排列以供参考。

将高频 EMI 降至最低尤为重要，因为汽车应用中常见的较高输入电压和较高输出电流会使该领域的问题恶化。

图 2 X 射线图像显示了带有集成电容器的 LMQ61460-Q1 降压静音转换器 (a)，您可以将其与引脚排列参考 (b) 进行比较。资料来源：德州仪器

虽然 EMI 确实给汽车应用带来了挑战，但如果设计工程师遇到电路板布局限制，他们也并非没有选择。有许多方法可以解决这一挑战，从战略器件引脚分配到集成特性，例如低电感封装、转换速率控制、扩频和集成电容器。

这些特性使工程师能够放宽严格的 EMI 布局优化要求，以换取全面的布局，从而为更好的热性能和/或更小的解决方案尺寸提供更多优化空间。这些功能改进了您的设计，以满怀信心地满足标准机构设定的 EMI 限制。

审核编辑：郭婷