1、什么是EMI？

电磁干扰（EMI）是会影响系统性能的电磁信号。这种干扰通过电磁感应、静电耦合或传导的方式对电路造成影响。对于汽车、医疗设备以及测试与测量设备的制造商来说，EMI是一项重要的设计挑战。由于功率密度的增加、开关频率的提升以及电流的增大，电源性能要求不断提高，EMI问题也愈加凸显，因此急需有效的解决方案来减轻其影响。许多行业对EMI有严格的标准要求，如果在设计初期未加以重视，可能会严重延迟产品的上市时间。

 

2、EMI耦合类型

EMI是当电子系统中的干扰源与接收器（即系统内的某些元件）发生耦合时产生的问题。根据耦合方式的不同，EMI可以分为两类：传导型和辐射型。

传导EMI（低频，450 kHz至30 MHz）

传导EMI是通过寄生阻抗以及电源和接地连接，以传导方式耦合到元件中的。噪声通过传导路径传输到另一个器件或电路。传导EMI可以进一步分为共模噪声和差模噪声。

共模噪声是通过寄生电容和高dV/dt（C × dV/dt）进行传导的。它沿着任意信号（正或负）到地（GND）的路径，通过寄生电容进行传输，如图1所示。

DifferenTIal-mode noise is conducted via parasiTIc inductance （magneTIc coupling） and a high di/dt （L × di/dt）。

差模噪声通过寄生电感（磁耦合）和高di/dt （L × di/dt）进行传导。

 

图1.差模和共模噪声。

 

辐射EMI（高频，30 MHz 至1 GHz）

 

辐射EMI是通过磁场能量以无线方式传播到其他器件的干扰信号。在开关电源中，这种噪声是由于高di/dt与寄生电感之间的耦合引起的。辐射噪声会影响到附近的器件，可能导致它们的性能下降。

 

3、EMI控制技术

首先，要确认EMI确实是一个问题。虽然这看似简单，但要准确判断问题的存在可能非常耗时，因为需要借助EMI测试室（并非随处可得）来量化电源产生的电磁能量，并判断是否符合系统的EMI标准。

如果测试结果表明电源确实存在EMI问题，设计人员将需要采取多种传统的校正策略来减少EMI影响，其中包括：

提高效率：在尽可能小的电路板空间内实现高效率。

优化散热：良好的热性能对于减少EMI至关重要。

布局优化：电源布局与组件选择同样重要。布局优化通常是一个迭代过程，经验丰富的设计人员可以减少迭代次数，从而避免延误和额外的设计成本。但问题在于，内部人员可能缺乏这种经验。

使用缓冲器：一些设计人员会提前规划简单的缓冲器电路（例如从开关节点到GND的RC滤波器），以抑制开关节点的振铃现象，这是产生EMI的主要原因之一。然而，这种技术会增加损耗，对效率产生负面影响。

降低边沿速率：通过降低栅极导通的压摆率来减少开关节点的振铃，同样会对效率产生不利影响。

展频技术（SSFM）：许多ADI公司的Power by Linear™开关稳压器都提供展频功能，这有助于产品通过严格的EMI测试。展频技术通过在一定范围内调制开关频率，将峰值噪声分布到更宽的频率范围内，从而降低EMI。

滤波与屏蔽：虽然滤波和屏蔽可以减少EMI，但它们往往成本高昂，占用空间，也增加了生产复杂性。

尽管这些措施都能减少噪声，但也各有不足。最大限度地降低电源设计中的噪声通常是解决问题的关键，但这一过程往往困难重重。为此，ADI公司的Silent Switcher®和Silent Switcher 2稳压器提供了一种更为简洁的方案，它们在稳压器内部实现了低噪声，从而无需额外的滤波、屏蔽或大量的布局迭代。这样不仅加快了产品的上市时间，还显著降低了成本。

 

最大限度地减小电流回路

 

为了有效减少EMI，首先要识别电源电路中的“热回路”（高di/dt回路）并减小其影响。热回路在图2中有所展示。在标准降压转换器的工作周期内，当M1关闭、M2打开时，交流电流沿着蓝色回路流动；当M1打开、M2关闭时，电流则沿着绿色回路流动。然而，产生最高EMI的回路并不直观，它既不是蓝色回路，也不是绿色回路，而是传导全开关交流电流（从零到峰值再回到零）的紫色回路。由于这个回路中交流和EMI能量最大，称之为“热回路”。

 

热回路中的高di/dt和寄生电感是导致电磁噪声和开关振铃的主要原因。为了减少EMI并提高电路性能，必须尽量降低紫色回路的辐射效应。热回路的电磁辐射干扰会随着其面积的增加而增加，因此，理想的解决方案是将热回路的PCB面积尽可能缩小，甚至理想情况下减小到零，并使用零阻抗的理想电容来消除问题。这样可以显著降低电磁噪声，提升系统的整体性能。

 

 

图2.降压转换器的热回路。

 

使用Silent Switcher稳压器实现低噪声磁场抵消

 

虽然完全消除热回路区域是不可能的，但我们可以将其分成两个极性相反的回路。这种设计能够在IC周围形成局部磁场，并有效抵消彼此的干扰。这正是Silent Switcher稳压器的核心理念，通过这种方式大幅降低噪声干扰，提升电源的整体性能。

 

 

图3.Silent Switcher稳压器中的磁场抵消。

 

倒装芯片取代键合线

 

另一种改善EMI的方法是缩短热回路中的导线长度。这可以通过放弃传统的键合线连接芯片与封装引脚的方法来实现。采用倒装芯片技术，将芯片直接安装在封装上，并添加铜柱连接。这样可以大幅缩短内部FET与封装引脚及输入电容之间的距离，从而进一步减小热回路的面积，显著降低EMI的影响。

 

图4.LT8610键合线的拆解示意图。

 

 

图5.带有铜柱的倒装芯片。

 

Silent Switcher与Silent Switcher 2

 

 

图6.典型的Silent Switcher应用原理图及其在PCB上的外观。

 

图6展示了一个典型的Silent Switcher稳压器应用示例，可通过两个输入电压引脚上对称布置的输入电容来识别。在这种设计中，布局至关重要，因为Silent Switcher技术依赖于输入电容的对称布置，以实现磁场的有效抵消。如果布局不对称，Silent Switcher技术的优势将无法充分发挥。那么，如何确保设计和生产过程中都能保持正确的布局呢？答案就是使用Silent Switcher 2稳压器，它能够在这一方面提供更好的保障。

 

Silent Switcher 2

 

Silent Switcher 2稳压器通过进一步减少EMI实现了更高的性能。它将电容（包括VIN电容、INTVCC电容和升压电容）集成到LQFN封装内，从而消除了PCB布局对EMI性能的敏感性。这些电容被设计为尽可能靠近引脚的位置。所有的热回路和接地层都在封装内部，这不仅将EMI降至最低，还大幅减少了解决方案的总占板面积。

 

 

图7.Silent Switcher应用与Silent Switcher 2应用框图。

 

 

图8.去封的LT8640S Silent Switcher 2稳压器。

 

Silent Switcher 2技术还提升了热性能。LQFN倒装芯片封装上的多个大面积接地裸露焊盘有效地通过PCB散热，进一步改善了热管理。同时，去除高电阻的键合线也提高了转换效率。在EMI性能测试中，LT8640S不仅符合CISPR 25 Class 5峰值限制要求，还有较大的裕量。

 

µModule Silent Switcher稳压器

 

借助Silent Switcher产品组合的开发经验，并结合现有的广泛µModule®产品系列，我们提供的电源解决方案不仅易于设计，还能满足关键性能指标，如热性能、可靠性、精度、效率和优良的EMI性能。

 

例如，图9中的LTM8053稳压器集成了两个能够实现磁场抵消的输入电容以及其他所需的无源组件。这些组件都封装在一个6.25 mm × 9 mm × 3.32 mm的BGA封装中，使客户能够将更多精力集中在电路板的其他设计方面。

 

 

图9.LTM8053 Silent Switcher裸露芯片及EMI结果。

 

无需LDO稳压器——电源案例研究

 

典型的高速ADC需要多种电压轨，其中一些电压轨的噪声必须极低，以实现ADC在数据表中的最佳性能。为了在高效率、小尺寸板空间和低噪声之间找到平衡，常见的解决方案是将开关电源与LDO后置稳压器结合使用，如图10所示。开关稳压器能够以高效率提供更大的降压比，但噪声相对较高。LDO后置稳压器虽然效率较低，但能有效抑制开关稳压器产生的大部分传导噪声，从而提供更清洁的电源，使ADC能够达到最高性能。尽可能减小LDO后置稳压器的降压比有助于提升效率。然而，多个稳压器会使布局变得更复杂，并且LDO后置稳压器在较高负载下可能会导致散热问题。

 

 

图10.为 AD9625 ADC供电的典型电源设计。

 

图10中的设计显然需要在低噪声、效率和电路板空间之间做出权衡。在这种情况下，低噪声是优先考虑的因素，因此效率和电路板空间可能需要有所妥协。但其实不必如此。

 

最新一代的Silent Switcher µModule器件将低噪声开关稳压器设计与µModule封装相结合，实现了设计简便、高效率、小尺寸和低噪声的完美平衡。这些稳压器不仅最大限度地减少了电路板占用空间，还具备可扩展性，能够通过一个µModule稳压器为多个电压轨供电，进一步节省空间和设计时间。图11展示了使用LTM8065 Silent Switcher µModule稳压器为ADC供电的替代电源方案。

 

 

图11.使用Silent Switcher µModule稳压器为AD9625供电，可节省空间的解决方案。

 

这些设计已经经过详细测试和比较。ADI公司最近发布的一篇文章对使用图10和图11中电源设计的ADC性能进行了评估。测试包括以下三种配置：

 

使用开关稳压器和LDO稳压器为ADC供电的标准配置。

 

使用LTM8065直接为ADC供电，不进行进一步的滤波。

 

使用LTM8065和额外的输出LC滤波器，进一步净化输出。

 

测试结果表明，LTM8065能够直接为ADC供电，而不会对ADC性能产生负面影响，其SFDR（无失真动态范围）和SNRFS（信噪比）结果均令人满意。

 

这一实施方案的核心优势在于显著减少了元件数量，从而提高了效率，简化了生产过程，并减少了电路板的占用空间。

 

小结

 

随着系统级设计对规范要求越来越严格，模块化电源设计变得尤为重要，特别是对于电源设计经验有限的情况。许多细分市场的系统设计必须符合最新的EMI规范，Silent Switcher技术在小尺寸设计中的应用，再加上µModule稳压器的简单易用特性，可以显著缩短产品上市时间，并节省电路板空间。

 

Silent Switcher µModule稳压器的优势包括：

 

节省PCB布局设计时间：无需重新设计电路板即可解决噪声问题。

 

无需额外的EMI滤波器：节省元件和电路板空间成本。

 

降低了电源噪声调试的需求：减少对内部电源专家的依赖。

 

提供高效率：在宽工作频率范围内表现出色。

 

为噪声敏感型器件供电时，无需LDO后置稳压器：简化设计。

 

缩短设计周期：加快产品开发进程。

 

在小尺寸电路板上实现高效率：优化空间使用。

 

良好的热性能：确保稳定运行。

 

 

本文由广州佳誉医疗器械有限公司/佛山浩扬医疗器械有限公司联合编辑