開關降壓-升壓控制器可實現低輻射單熱回路與雙熱回路

作者：Yonghwan Cho and Keith Szolusha

汽車應用電路必須滿足嚴格的EMI標準，以避免干擾廣播和移動服務頻段。在許多情況下，靜音切換器和靜音切換器2解決方案可以顯著提高滿足這些標準的能力。然而，在所有情況下，仔細的布局都是必要的。在本文中，我們將重點介紹4開關降壓-升壓控制器的兩種可能解決方案，并比較EMI室結果。?

4開關降壓-升壓將降壓和升壓控制器集成到單個IC中，當輸出低于輸入時，轉換器作為降壓工作，當輸出高于輸入時，轉換器作為升壓工作。在輸出和輸入相似的區域中，所有四個開關都可以工作。

利用ADI位于加利福尼亞州圣克拉拉的內部EMI暗室，電源產品研究團隊對原始雙熱回路同步布局的有效性以及是否可以使用替代布局來降低EMI噪聲以通過EMI標準展開調查。

雙熱回路布局涉及在功率MOSFET周圍對稱放置熱回路陶瓷電容器，以控制EMI噪聲。ADI獨特的檢測電阻位置（位于電感旁邊和熱回路外部）允許這些環路非常小，從而最大限度地降低熱回路的天線效應。為了實現這種對稱性并使開關節點能夠到達附近的電感，需要開關節點過孔，這可能會損害熱回路區域。使用符合CISPR 25標準的EMI室，研究小組發現，開關節點的暴露和較大的熱回路區域會導致不必要的傳導EMI，特別是在>30 MHz（FM無線電頻段）處，這是最具挑戰性的頻率范圍衰減。

原始的降壓-升壓布局具有單個熱回路，可以通過重新排列功率MOSFET和熱回路電容器來改善其最小的熱回路。這種布局被稱為單熱回路，作為雙熱回路的對應物。使用單個熱回路的好處不僅更小的開關損耗，而且由于熱回路面積最小和開關節點暴露，>30 MHz傳導發射（CE）也會衰減。通過將新布局的EMI噪聲與使用相同控制器IC和相同功率組件的雙熱回路進行比較，驗證了其有效性。實驗使用了4開關降壓-升壓控制器LT8392及其兩個版本的演示電路（DC2626A rev.2和rev.3）。

布局比較

圖 1 顯示了雙熱回路和單熱回路的布局和組裝電路板圖片。每個板有四層：頂層（第 1 層）、第 2 層、第 3 層和底層（第 4 層）。但是，僅顯示頂層和底層。如圖1（a）所示，熱回路電容器放置在中心MOSFET的左側和右側，并形成相同的熱回路。開關節點過孔用于通過底層（如圖1（c）所示）和第3層將開關節點SW1和SW2連接到主功率電感器。SW1 和 SW2 頂層銅節點采用大面積布局，以散發電感和 MOSFET 的熱量。但與此同時，大量暴露的SW1和SW2銅節點是EMI發射的來源。如果電路板安裝在機箱接地附近，則在機箱和開關節點銅之間形成寄生電容。它使高頻噪聲從開關節點流向機箱接地，并影響系統中的其他電路。在符合CISPR 25標準的EMI室中，高頻噪聲流過EMI設置和LISN的接地表。裸露的開關節點還充當天線，因此會產生輻射EMI噪聲。

但是，單個熱回路在底層沒有裸露的開關節點銅纜，如圖1（d）所示。在頂層，如圖1（b）所示，熱回路電容僅放置在MOSFET的一側，這使得開關節點可以在不使用開關節點通孔的情況下連接到電感器。

圖1.雙熱回路和單熱回路的布局和照片。

在單個熱回路布局中，頂部和底部MOSFET不對齊，但其中一個旋轉90°以使熱回路盡可能小。圖1（e）和圖1（f）中比較了雙熱回路和單熱回路的熱回路的大小，黃色突出顯示框。這些框顯示，單個熱回路的熱回路是雙熱回路的一半大小。

應該注意的是，不使用圖1（a）所示的雙熱回路的兩個0402熱回路電容器，而是將1210熱回路電容器擠壓到MOSFET上，以構成最小的熱回路。

剝離 0402 電容器焊盤附近的阻焊層，以實現 1210 電容器的良好連接。此外，去除電感焊盤附近的阻焊層，以便在單個熱回路電路中使用相同的電感器。較小的熱回路意味著環路的總電感較小。因此，開關損耗降低，開關節點的LC振鈴和開關電流衰減。此外，較小的環路有助于降低30 MHz以上的傳導EMI，因為輻射發射會影響該范圍內的傳導EMI。

ADI公司的4開關降壓-升壓控制器采用專有的峰值降壓/峰值升壓電流模式控制方案，可以形成最小的熱回路。電流檢測電阻與主電感串聯。相比之下，競爭對手的控制器部件采用谷值降壓/峰值升壓電流模式控制方案，其中電流檢測電阻應置于底部 MOSFET 的源極和地之間。圖2顯示了其中一個器件的推薦降壓-升壓布局。如黃色框所示，熱回路大于雙熱回路或單熱回路。此外，檢測電阻的寄生電感增加了熱回路的總電感。

圖2.競爭對手部件LM5176的推薦降壓-升壓布局。

電磁干擾比較

雙熱回路和單熱回路的EMI在符合CISPR 25標準的EMI室中測量，如圖3所示，具有CISPR 25 5類標準限制。EMI結果繪制在同一張圖中以比較差異，其中雙熱回路用黃線標記，單個熱回路用紅線標記?；揖€是在環境條件下測量的本底噪聲。如圖4所示，雙熱回路底層的裸露開關節點用銅帶接地屏蔽，以顯示較小的熱回路的有效性。沒有銅屏蔽的雙熱回路的發射遠高于圖3中的結果。輸出為12 V，8 A，輸入電壓設置為13 V，使電路在4開關開關模式下工作。

圖3.雙熱回路和單熱回路的EMI對比圖：（a）電壓法傳導發射峰值和平均值，（b）電流探頭法傳導發射50 mm峰值和平均值，（c）電流探頭法傳導發射750 mm峰值和平均值，以及（d）輻射發射垂直峰值和平均值。

圖3（a）分別顯示了電壓法傳導發射的峰值和平均值。單個熱環路在30 MHz以上具有低5 dBμV的CE，并且滿足CISPR 25 5 Class 5標準的峰值和平均CE，而雙熱回路在FM和VHF頻段（68 MHz至~108 MHz）平均具有過沖，如黃色突出顯示框所示。

請注意，在該頻率范圍內降低5 dBμV確實具有挑戰性。單個熱環路不僅在30 MHz的高頻范圍內有效，這是衰減最具挑戰性的區域，而且在包括AM頻段（0.53 MHz至~1.8 MHz）的低頻（<2 MHz）下也有效。降低排放總是更好，特別是如果它們是CE，因為它們會影響所有電氣連接系統。

電流探頭方法是CISPR 25 Class 5指定的另一種測量方法。它測量距離DUT50 mm和750 mm兩個不同位置的共模傳導發射，而電壓法測量共模和差模的混合傳導發射。圖3（b）和3（c）比較了雙熱回路和單熱回路的電流探頭方法傳導發射。它們表明，單個熱回路在30 MHz以上具有較低的傳導發射，特別是在FM頻段，如黃色突出顯示框所示。與電壓法傳導發射不同，在AM頻段附近的低頻下，單熱回路比雙熱回路沒有顯著優勢。

圖4.雙熱回路底層的屏蔽開關節點。

最后，圖3（d）顯示了兩種不同降壓-升壓布局的輻射發射（RE）。結果幾乎相同，只是雙熱回路的尖峰約為90 MHz，比單熱回路高5 dBμV/m。

熱比較

雙熱回路和單熱回路之間的熱比較如圖5所示。熱圖像是在SSFM開啟的情況下在9.4 V輸入電壓下拍攝的。9.4 V是4開關工作區域的最低點，當輸出電壓為12 V時，工作模式更改為2開關純升壓之前。因此，測試條件是最苛刻的。雙熱回路中最熱的元件、升壓側底部MOSFET和單熱回路的溫度幾乎相同。雖然單熱回路在底層沒有可以散熱的開關節點過孔和銅，但由于熱回路較小，其開關損耗低于雙熱回路。此外，由于不使用開關節點過孔，單熱回路在頂層具有更好的散熱，因為MOSFET漏極焊盤和開關節點銅的接觸面積大于雙熱回路的接觸面積。

結論

建議的新型降壓-升壓布局（單熱回路）推薦用于新的高功率設計。由于開關節點和熱回路區域的暴露最小化，單個熱回路具有顯著的好處，可以減少傳導和輻射發射，而沒有任何熱缺點。值得注意的是，它可以降低30 MHz以上的傳導發射，這是最具挑戰性的頻率衰減區域。得益于ADI公司4開關降壓-升壓控制器（LT8390/LT8390A、LT8391/LT8391A、LT8392、LT8393、LT8253等）專有的峰值降壓/峰值升壓電流模式控制功能，熱回路可以比競爭對手的器件小得多?？刂铺匦钥蓪崿F更高的效率和更低的EMI，使ADI公司的4開關降壓-升壓控制器成為汽車應用或任何EMI敏感應用的最佳選擇。

圖5.（a） 雙熱回路的熱圖像，和 （b） 單熱回路的熱圖像。

審核編輯：郭婷