DC-DC转换器是否必须同步以实现低辐射

作者：Keith Szolusha and Kevin Thai

本文旨在展示带有分立续位二极管的异步转换器如何仍能实现低辐射。本文将介绍不同类型的转换器、布局和封装，以及控制开关为何有效。它还将详细介绍CISPR 25 5类辐射测试的低EMI评估电路的通过测试结果。

介绍

同步静音切换器转换器为强大的、 紧凑、安静的DC-DC转换。在过去的5+年中，我们已经介绍了大量这些低EMI同步降压和升压转换器。这些DC-DC转换器简化了高功率、噪声敏感环境中的系统级EMC设计，例如冷启动预升压、驱动大电流LED串和高压功率放大器音响系统。与基于控制器的设计相比，单片（集成电源开关）升压稳压器提供了一种高效、更紧凑的解决方案，通常用于 5 V、12 V 和 24 V 的源电压。®

集成同步开关及其在芯片内的独特布局1是静音开关转换器秘密武器的一部分。板载（集成）开关可形成超微小的热回路，有助于将排放保持在最低限度。但是，这可能会带来成本，并且并非所有应用都需要同步开关。如果硅片中仅集成一个电源开关，则开关转换器的成本会更低，我们可以依靠外部低成本分立续位二极管作为第二个开关。这是低成本转换器的常见做法，但是当低排放很重要时，这样做可以吗？

带有分立续位二极管的异步转换器仍然可以实现低辐射。通过特别注意热回路布局和dV/dt开关边沿速率，可以设计具有异步转换器的低EMI开关应用。必须将额外的减排与扩频频率调制（SSFM）相结合。LT3950 60 V、1.5 A异步LED驱动器和LT8334 40 V、5 A异步升压转换器等单芯片开关稳压器均在其器件中集成了一个低侧电源开关，但它们依靠外部箝位二极管，同时仍能实现低辐射！这是如何工作的？

图1.（a） 异步单芯片升压转换器具有单个热回路，其中包括一个外部箝位二极管。（b） 静音切换器转换器有两个（相对的）热回路和完全集成的开关。

捕获二极管与死区时间

在单片式转换器中集成一个电源开关而不是两个电源开关可以减少 芯片尺寸减小30%至40%。芯片尺寸减小可直接节省硅成本，当硅可以装入更小的封装时，还可以节省额外的二次成本。虽然仍然需要一些PCB空间专用于外部分立式箝位二极管，但这些二极管数量充足、坚固且价格便宜。在升压转换器中，低V肖特基二极管F在高输出电压和低占空比下具有高效率，可以说优于昂贵的高压功率FET。

一个原因可能是由于死区时间。在典型的同步转换器中，电源开关体二极管导通发生在预设的死区时间内，以防止潜在的击穿灾难。当同步开关在主开关能够完全关闭之前导通时，就会发生击穿，从而从输入或输出（降压或升压）直接短路至GND。死区时间控制可能是开关稳压器设计在高开关频率以及最小和最大占空比限值下的一个限制方面。具有低正向电压的低成本箝位二极管消除了开关稳压器中对死区时间逻辑的需求，非常简单。在大多数情况下，它们的性能也优于功率开关内固有体二极管的正向压降（在死区时间内导通）。

简单的布局和包

首先，我们可以从一个简单的单芯片升压转换器开始，演示基本布局。图2所示的LT3950 60 V、1.5 A LED驱动器具有一个简单的PCB热回路。该热回路如图3所示，仅包括小型陶瓷输出电容和尺寸相似的分立续位二极管PMEG6010CEH。这些组件与 LT3950 16 引脚 MSE 封装以及散热焊盘的开关引脚和 GND 平面紧密贴合。这对于低排放来说足够了吗？它肯定是等式的一部分。引线键合的 16 引脚 MSE 封装和紧密的热回路与 SSFM 和良好控制的开关行为（由于非常高的速度和寄生走线电感而不会振铃的开关边沿转换）相结合，可以实现低辐射。

图2.LT3950 （DC2788A） 异步热环路包括 D1 箝位二极管。尽管如此，箝位二极管和输出电容器还是与 LT3950 16 引脚 MSE 封装紧密贴合。突出显示的异步开关节点小巧紧凑，但并非不可能。开关节点的布局对于低辐射结果至关重要。

图3.LT3950 LED驱动器是一款异步单芯片1.5 A、60 V升压转换器。升压转换器热回路（以黄色突出显示）包括一个分立式箝位二极管，而不会影响高频发射。

接下来，异步转换器的单个开关可用于创建SEPIC拓扑（升压和降压），从而将实用性扩展到预期的升压指定之外。单个开关可轻松断开升压的热回路，并添加图4和图5所示的SEPIC耦合电容。大多数顶部和底部开关永久连接在单个开关节点上的同步升压转换器无法转换为SEPIC。如果注意耦合电容、箝位二极管和输出电容形成的环路，SEPIC热回路可以保持很小。

图4.LT8334 40 V、5 A异步单芯片升压IC用于SEPIC应用。SEPIC转换器热回路（以黄色突出显示）包括一个分立式箝位二极管和一个耦合电容，而不会影响辐射。

图5.LT8334 单通道 40 V、5 A 异步开关适合纤巧的 4 mm × 3 mm 12 引脚耐热增强型 DFN 封装。LT8334 SEPIC（EVAL-LT8334-AZ）的热回路布局包括这个纤巧的DFN、一个陶瓷耦合电容器、一个陶瓷输出电容器和一个小型箝位二极管。

LT8334 异步升压转换器集成了一个 5 A、40 V 开关。这款单芯片升压转换器IC可用于制造12 V输出SEPIC转换器。图4所示为标准12 V、2 A+ SEPIC转换器，带有耦合电容C1和耦合电感的两个电感绕组。由于微型PMEG4030ER箝位二极管D1不直接固定在开关节点上，因此可以轻松地在二极管和开关节点之间放置4.7 μF 0805陶瓷隔直耦合电容。EVAL-LT8334-AZ SEPIC评估板上的热回路布局仍然很小。保持开关节点铜尽可能小，并尽可能靠近开关引脚，有助于最大限度地减少辐射发射。请注意，整个热回路位于第 1 层，开关节点或耦合电容器另一侧的耦合开关节点上都没有过孔。这两个开关节点都应保持最小大小并尽可能接近以获得最佳结果。LT8334 的 12 引脚 DFN 封装有助于尽可能减小热回路和辐射。

受控开关有效

单片式（包含开关）开关转换器与 SSFM、2 MHz 基频开关频率、出色的 PCB 布局和良好控制的开关相结合，在减排方面非常有效。如果它们足够有效，它们可能不需要静音切换器架构的极端优势来实现低辐射（静音切换器架构是超低辐射的黄金标准，但并非在所有情况下都需要通过排放标准）。在 LT3950 和 LT8334 中，SSFM 从基频扩展到高出约 20%，然后以三角形模式返回。SSFM是低EMI开关稳压器的共同特征。SSFM有多种类型，但每种类型的总体目标是分散排放能量，并将峰值和平均排放的最高点降低到所需限值以下。2 MHz开关频率的一个目标是将基波开关频率设置为AM无线电频段（530 kHz至1.8 MHz）限制以上，以便基波本身及其所有谐波在不干扰无线电的情况下产生辐射。当不需要AM频段时，可以不用担心使用较低的开关频率。

与开关频率无关，内部开关和驱动器应仔细设计，以避免某些不必要的行为，这些行为会导致开关转换器的EMI性能下降。超快的振铃开关波形会导致 100 MHz 至 400 MHz 范围内的无用辐射，这在辐射发射测量中最为明显。IC内部控制良好的开关不应像发射锤，而更像是开关边缘受阻的有效橡胶槌。受控电源开关以略低于可能速率的速率上下移动高电压和电流。图6b中的2 V/ns开关速率和无振铃是单芯片转换器中这种受控开关的一个很好的例子。您可以看到该内部开关在 0 V 时打开和轻轻着陆的柔和程度，而不会产生刺耳的振铃。这是对LT3950的发射结果的一个主要贡献（参见下面的图9至图11）。通常，在单片式开关稳压器中，开关的速度会提高最大功率并降低散热。然而，当精心设计时，少即是多。

图6.LT3950 受控开关压摆率为 2 V/ns 上升和 2 V/ns 下降，可有效在开关节点环条很少的 LED 驱动器应用中保持高效率和低 EMI。

具有栅极速率控制的异步升压控制器

在某些时候，高功率DC-DC转换需要控制器和IC外部的高电压、高电流开关。在这种情况下，外部开关的栅极驱动器保留在IC内部，但整个开关热回路移动到IC外部。一些创造性的热回路和布局是可能的，但热回路本身通常仅由于分立MOSFET的尺寸而增长。

LT8357 高功率（异步）升压控制器提供 24 V、2 A （48 W） 的极低辐射。它以低开关频率为 3.5 mm × 3.5 mm MOSFET 供电，以实现高效转换。除了紧密的热回路（图 7）外，它还具有上升和下降栅极控制引脚，用于边沿速率控制和减少排放。一个简单的 5.1 Ω电阻 RP（在 GATEP 上）足以降低 M1 功率 MOSFET 的导通边沿速率，并将辐射发射保持在最低水平。当然，一些排放过滤器和SSFM有助于减少排放。EVAL-LT8357-AZ评估板提供了一个额外的发射屏蔽位置，但对于大多数应用来说可能不是必需的。这款异步升压控制器与单芯片控制器非常相似，具有高功率、低EMI升压和SEPIC应用所需的所有特性。

图7.LT8357 高电压升压控制器具有分离栅极引脚，用于单独控制高功率分立式 MOSFET 开关边沿的上升沿和下降沿。黄色轮廓聚焦于分离式栅极引脚。

图8.LT8357图7升压具有最佳的辐射和效率性能，具有RP= 5.1 Ω 和 RN= 0 Ω.一个单独的栅极驱动引脚允许受控开关导通，同时提供快速关断。在图中，颜色代表：红色 RP= 0， RN= 5.1;黄色 RP= 0， RN= 0;绿色 RP= 5.1， RN= 0;和蓝色 RP= 5.1， RN= 5.1。

EVAL-LT8357-AZ 评估板，但对于大多数应用可能不是必需的。这款异步升压控制器与单芯片控制器非常相似，具有高功率、低EMI升压和SEPIC应用所需的所有特性。

通过 CISPR 25 5 类排放

低 EMI 评估电路（如 LT3950 DC2788A）已经过广泛的辐射和传导发射测试。图9至图11中的成功发射测试结果是在SSFM开启、12 V输入和330 mA电流通过25 V LED串的情况下捕获的。电流探头和电压法CE结果均通过了最严格的限制。在切换器中，FM频段CE挑战是很常见的，但LT3950则受FM频段的影响。

图9.DC2788A LT3950 同时通过 （a） 平均值 （b） 和峰值 CISPR 25 5 类传导发射 （电流探针法）。

图 10.DC2788A LT3950 同时通过 （a） 平均和 （b） 峰值 CISPR 25 5 类传导发射 （电压法）。

图 11.DC2788A LT3950 通过 （a） 平均和 （b） 峰值 CISPR 25 5 类辐射发射。

将开关频率设置为 2 MHz（300 kHz 至 2 MHz 可调范围）可使基波开关辐射保持在 AM 无线电频段（530 kHz 至 1.8 MHz）以上，从而避免出现问题，同时无需在前端安装笨重的 LC AM 频段滤波器。相反，LT3950 使用的 EMI 滤波器可以是小型高频铁氧体磁珠。

尽管热回路中增加了耦合电容器，并且耦合电感器的额外端子（使开关节点的数量增加了一倍），但LT8334 SEPIC还具有低辐射。EVAL-LT8334-AZ SEPIC 12 VOUT评估套件还采用2 MHz和SSFM，具有低辐射。EVAL-LT8357-AZ升压控制器可以实现类似的性能。完整的发射结果、原理图和测试选项可以在 analog.com 上这些器件的产品登录页面上找到。表1列出了一个新的低EMI异步升压和SEPIC转换器系列。单片和控制器IC因其结构简单、成本低、多种拓扑结构、高功率能力和低辐射而非常有用。高电流静音开关升压转换器也可用于最需要超低辐射的情况。

 

	V在范围	集成软件 1	集成 SW2	f西 南部	提高	降压-升压	集成电路封装	AEC-Q100	特殊
LT8336	2.7 V 至 40 V	2.5 安，40 伏	2.5 安，40 伏	300 k 至 3 兆赫 + 固态噶当频	✔	X	长青（16） 3 × 3 毫米2	✔	4 μA 低 IQ 突发模式 直通™
LT8337	2.7 V 至 28 V	5 安培，28 伏	5 安培，28 伏	300 k 至 3 兆赫 + 固态噶当频	✔	X	长青（16） 3 × 3 毫米2		4 μA 低 IQ 突发模式 直通
LT3922-1	2.8 V 至 36 V	2.3 A 至 40 V	2.3 A 至 40 V	200 k 至 2 MHz + SSFM	✔	降压-升压 模式指示灯	QFN（28） 4 × 5 mm2	✔	LED 驱动器平视显示器
LT8386	4 V 至 56 V	3.3 安培，60 伏	3.3 安培，60 伏	200 k 至 2 MHz + SSFM	✔	降压-升压 模式指示灯	LQFN（28） 4 × 5 mm2	✔	LED 驱动器平视显示器
LT8362	2.8 V 至 60 V	2 安培，60 V	X	300 k 至 2 MHz + 固态fm	✔	SEPIC	DFN（10） 3 × 3 mm2 MSOP16（12）	✔	9 μA 低 IQ 突发模式
LT8333	2.8 V 至 40 V	3 安培，60 伏	X	300 k 至 2 MHz + 固态fm	✔	SEPIC	DFN（10） 3 × 3 mm2		9 μA 低 IQ 突发模式
LT8364	2.8 V 至 60 V	4 安培，60 伏	X	300 k 至 2 MHz + 固态fm	✔	SEPIC	DFN（12） 4 × 3 mm2 MSOP16（12）	✔	9 μA 低 IQ 突发模式
LT8334	2.8 V 至 40 V	5 安培，60 伏	X	300 k 至 2 MHz + 固态fm	✔	SEPIC	DFN（12） 4 × 3 mm2		9 μA 低 IQ 突发模式
LT3950	3 V 至 60 V	1.5 安培，60 伏	X	300 k 至 2 MHz + 固态fm	✔	降压-升压 模式指示灯	MSOP（16）		发光二极管驱动器
LT8357	3 V 至 60 V	X 控制器	X	100 k 至 2 MHz + SSFM	✔	SEPIC	MSOP（12）		8 μA 低 IQ 突发模式 分离栅极
LT8356-1	5 V 至 100 V	X 控制器	X	100 k 至 2 MHz + SSFM	✔	降压-升压 模式指示灯	SS.QFN（20） 3 × 4 毫米2	✔	发光二极管驱动器

 

结论

同步静音开关稳压器和异步单片开关稳压器均可用于低辐射应用。与超高性能静音开关转换器相比，异步升压转换器的成本更低。第二个开关被低成本箝位二极管取代，该二极管在高压下具有一些优势，并且可以灵活地重新配置为SEPIC。当电源开关边沿速率得到良好控制且振铃有限时，PCB的小型塑料封装和精心设计的小型热开关环路区域具有低辐射。这些特性应与其他低EMI特性（如SSFM和EMI滤波器）相结合。即使在高功率升压控制器中，栅极驱动控制也可用于减慢和平滑开关边沿，以实现低辐射。特别注意热回路的最佳顶层布局，并明智地选择DC-DC转换器以实现低辐射设计。ADI公司的低EMI升压转换器系列可能正是您所需要的。

审核编辑：郭婷