作者：Keith SzolushaandKevin Thai

本文旨在展示帶有分立續位二極管的異步轉換器如何仍能實現低輻射。本文將介紹不同類型的轉換器、布局和封裝，以及控制開關為何有效。它還將詳細介紹CISPR 25 5類輻射測試的低EMI評估電路的通過測試結果。

介紹

同步靜音切換器轉換器為強大的、 緊湊、安靜的DC-DC轉換。在過去的5+年中，我們已經介紹了大量這些低EMI同步降壓和升壓轉換器。這些DC-DC轉換器簡化了高功率、噪聲敏感環境中的系統級EMC設計，例如冷啟動預升壓、驅動大電流LED串和高壓功率放大器音響系統。與基于控制器的設計相比，單片（集成電源開關）升壓穩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。?

集成同步開關及其在芯片內的獨特布局1是靜音開關轉換器秘密武器的一部分。板載（集成）開關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，這可能會帶來成本，并且并非所有應用都需要同步開關。如果硅片中僅集成一個電源開關，則開關轉換器的成本會更低，我們可以依靠外部低成本分立續位二極管作為第二個開關。這是低成本轉換器的常見做法，但是當低排放很重要時，這樣做可以嗎？

帶有分立續位二極管的異步轉換器仍然可以實現低輻射。通過特別注意熱回路布局和dV/dt開關邊沿速率，可以設計具有異步轉換器的低EMI開關應用。必須將額外的減排與擴頻頻率調制（SSFM）相結合。LT395060 V、1.5 A異步LED驅動器和LT833440 V、5 A異步升壓轉換器等單芯片開關穩壓器均在其器件中集成了一個低側電源開關，但它們依靠外部箝位二極管，同時仍能實現低輻射！這是如何工作的？

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

捕獲二極管與死區時間

在單片式轉換器中集成一個電源開關而不是兩個電源開關可以減少 芯片尺寸減小30%至40%。芯片尺寸減小可直接節省硅成本，當硅可以裝入更小的封裝時，還可以節省額外的二次成本。雖然仍然需要一些PCB空間專用于外部分立式箝位二極管，但這些二極管數量充足、堅固且價格便宜。在升壓轉換器中，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，可以說優于昂貴的高壓功率FET。

一個原因可能是由于死區時間。在典型的同步轉換器中，電源開關體二極管導通發生在預設的死區時間內，以防止潛在的擊穿災難。當同步開關在主開關能夠完全關閉之前導通時，就會發生擊穿，從而從輸入或輸出（降壓或升壓）直接短路至GND。死區時間控制可能是開關穩壓器設計在高開關頻率以及最小和最大占空比限值下的一個限制方面。具有低正向電壓的低成本箝位二極管消除了開關穩壓器中對死區時間邏輯的需求，非常簡單。在大多數情況下，它們的性能也優于功率開關內固有體二極管的正向壓降（在死區時間內導通）。

簡單的布局和包

首先，我們可以從一個簡單的單芯片升壓轉換器開始，演示基本布局。圖2所示的LT3950 60 V、1.5 A LED驅動器具有一個簡單的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引腳和 GND 平面緊密貼合。這對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 和良好控制的開關行為（由于非常高的速度和寄生走線電感而不會振鈴的開關邊沿轉換）相結合，可以實現低輻射。

圖2.LT3950 （DC2788A） 異步熱環路包括 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節點小巧緊湊，但并非不可能。開關節點的布局對于低輻射結果至關重要。

圖3.LT3950 LED驅動器是一款異步單芯片1.5 A、60 V升壓轉換器。升壓轉換器熱回路（以黃色突出顯示）包括一個分立式箝位二極管，而不會影響高頻發射。

接下來，異步轉換器的單個開關可用于創建SEPIC拓撲（升壓和降壓），從而將實用性擴展到預期的升壓指定之外。單個開關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。大多數頂部和底部開關永久連接在單個開關節點上的同步升壓轉換器無法轉換為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應用。SEPIC轉換器熱回路（以黃色突出顯示）包括一個分立式箝位二極管和一個耦合電容，而不會影響輻射。

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

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

受控開關有效

單片式（包含開關）開關轉換器與 SSFM、2 MHz 基頻開關頻率、出色的 PCB 布局和良好控制的開關相結合，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的極端優勢來實現低輻射（靜音切換器架構是超低輻射的黃金標準，但并非在所有情況下都需要通過排放標準）。在 LT3950 和 LT8334 中，SSFM 從基頻擴展到高出約 20%，然后以三角形模式返回。SSFM是低EMI開關穩壓器的共同特征。SSFM有多種類型，但每種類型的總體目標是分散排放能量，并將峰值和平均排放的最高點降低到所需限值以下。2 MHz開關頻率的一個目標是將基波開關頻率設置為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生輻射。當不需要AM頻段時，可以不用擔心使用較低的開關頻率。

與開關頻率無關，內部開關和驅動器應仔細設計，以避免某些不必要的行為，這些行為會導致開關轉換器的EMI性能下降。超快的振鈴開關波形會導致 100 MHz 至 400 MHz 范圍內的無用輻射，這在輻射發射測量中最為明顯。IC內部控制良好的開關不應像發射錘，而更像是開關邊緣受阻的有效橡膠槌。受控電源開關以略低于可能速率的速率上下移動高電壓和電流。圖6b中的2 V/ns開關速率和無振鈴是單芯片轉換器中這種受控開關的一個很好的例子。您可以看到該內部開關在 0 V 時打開和輕輕著陸的柔和程度，而不會產生刺耳的振鈴。這是對LT3950的發射結果的一個主要貢獻（參見下面的圖9至圖11）。通常，在單片式開關穩壓器中，開關的速度會提高最大功率并降低散熱。然而，當精心設計時，少即是多。

圖6.LT3950 受控開關壓擺率為 2 V/ns 上升和 2 V/ns 下降，可有效在開關節點環條很少的 LED 驅動器應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

在某些時候，高功率DC-DC轉換需要控制器和IC外部的高電壓、高電流開關。在這種情況下，外部開關的柵極驅動器保留在IC內部，但整個開關熱回路移動到IC外部。一些創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。它以低開關頻率為 3.5 mm × 3.5 mm MOSFET 供電，以實現高效轉換。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。一個簡單的 5.1 Ω電阻 RP（在 GATEP 上）足以降低 M1 功率 MOSFET 的導通邊沿速率，并將輻射發射保持在最低水平。當然，一些排放過濾器和SSFM有助于減少排放。EVAL-LT8357-AZ評估板提供了一個額外的發射屏蔽位置，但對于大多數應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，用于單獨控制高功率分立式 MOSFET 開關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.一個單獨的柵極驅動引腳允許受控開關導通，同時提供快速關斷。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;和藍色 RP= 5.1， RN= 5.1。

EVAL-LT8357-AZ 評估板，但對于大多數應用可能不是必需的。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應用所需的所有特性。

通過 CISPR 25 5 類排放

低 EMI 評估電路（如 LT3950 DC2788A）已經過廣泛的輻射和傳導發射測試。圖9至圖11中的成功發射測試結果是在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結果均通過了最嚴格的限制。在切換器中，FM頻段CE挑戰是很常見的，但LT3950則受FM頻段的影響。

圖9.DC2788A LT3950 同時通過 （a） 平均值 （b） 和峰值 CISPR 25 5 類傳導發射 （電流探針法）。

圖 10.DC2788A LT3950 同時通過 （a） 平均和 （b） 峰值 CISPR 25 5 類傳導發射 （電壓法）。

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

將開關頻率設置為 2 MHz（300 kHz 至 2 MHz 可調范圍）可使基波開關輻射保持在 AM 無線電頻段（530 kHz 至 1.8 MHz）以上，從而避免出現問題，同時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（使開關節點的數量增加了一倍），但LT8334 SEPIC還具有低輻射。EVAL-LT8334-AZSEPIC 12 VOUT評估套件還采用2 MHz和SSFM，具有低輻射。EVAL-LT8357-AZ升壓控制器可以實現類似的性能。完整的發射結果、原理圖和測試選項可以在 analog.com 上這些器件的產品登錄頁面上找到。表1列出了一個新的低EMI異步升壓和SEPIC轉換器系列。單片和控制器IC因其結構簡單、成本低、多種拓撲結構、高功率能力和低輻射而非常有用。高電流靜音開關升壓轉換器也可用于最需要超低輻射的情況。

結論

同步靜音開關穩壓器和異步單片開關穩壓器均可用于低輻射應用。與超高性能靜音開關轉換器相比，異步升壓轉換器的成本更低。第二個開關被低成本箝位二極管取代，該二極管在高壓下具有一些優勢，并且可以靈活地重新配置為SEPIC。當電源開關邊沿速率得到良好控制且振鈴有限時，PCB的小型塑料封裝和精心設計的小型熱開關環路區域具有低輻射。這些特性應與其他低EMI特性（如SSFM和EMI濾波器）相結合。即使在高功率升壓控制器中，柵極驅動控制也可用于減慢和平滑開關邊沿，以實現低輻射。特別注意熱回路的最佳頂層布局，并明智地選擇DC-DC轉換器以實現低輻射設計。ADI公司的低EMI升壓轉換器系列可能正是您所需要的。

審核編輯：郭婷