EMI不再是難題!高壓異步升壓控製器的降輻射實戰指南
發布時間:2026-01-14 責任編輯:lina
【導讀】在電子設備設計中,高壓異步升壓控製器的電磁幹擾(EMI)問(wen)題(ti)一(yi)直(zhi)是(shi)工(gong)程(cheng)師(shi)們(men)關(guan)注(zhu)的(de)焦(jiao)點(dian)。許(xu)多(duo)人(ren)認(ren)為(wei),隻(zhi)有(you)采(cai)用(yong)集(ji)成(cheng)度(du)極(ji)高(gao)的(de)芯(xin)片(pian)方(fang)案(an)才(cai)能(neng)有(you)效(xiao)降(jiang)低(di)輻(fu)射(she),然(ran)而(er)事(shi)實(shi)並(bing)非(fei)如(ru)此(ci)。本(ben)文(wen)將(jiang)通(tong)過(guo)實(shi)際(ji)案(an)例(li)與(yu)深(shen)入(ru)分(fen)析(xi),揭(jie)示(shi)即(ji)便(bian)使(shi)用(yong)帶(dai)有(you)分(fen)立(li)電(dian)源(yuan)開(kai)關(guan)和(he)續(xu)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)的(de)控(kong)製(zhi)器(qi)產(chan)品(pin),也(ye)能(neng)通(tong)過(guo)優(you)化(hua)PCB布局和精準控製開關邊緣速率,實現出色的低輻射表現,輕鬆滿足嚴格的電磁兼容標準。此外,文章還將分享兩個成功通過CISPR 25 5類輻射測試的參考設計,為工程師提供可借鑒的實戰經驗。
摘要
在電子設備設計中,高壓異步升壓控製器的電磁幹擾(EMI)問(wen)題(ti)一(yi)直(zhi)是(shi)工(gong)程(cheng)師(shi)們(men)關(guan)注(zhu)的(de)焦(jiao)點(dian)。許(xu)多(duo)人(ren)認(ren)為(wei),隻(zhi)有(you)采(cai)用(yong)集(ji)成(cheng)度(du)極(ji)高(gao)的(de)芯(xin)片(pian)方(fang)案(an)才(cai)能(neng)有(you)效(xiao)降(jiang)低(di)輻(fu)射(she),然(ran)而(er)事(shi)實(shi)並(bing)非(fei)如(ru)此(ci)。本(ben)文(wen)將(jiang)通(tong)過(guo)實(shi)際(ji)案(an)例(li)與(yu)深(shen)入(ru)分(fen)析(xi),揭(jie)示(shi)即(ji)便(bian)使(shi)用(yong)帶(dai)有(you)分(fen)立(li)電(dian)源(yuan)開(kai)關(guan)和(he)續(xu)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)的(de)控(kong)製(zhi)器(qi)產(chan)品(pin),也(ye)能(neng)通(tong)過(guo)優(you)化(hua)PCB布局和精準控製開關邊緣速率,實現出色的低輻射表現,輕鬆滿足嚴格的電磁兼容標準。此外,文章還將分享兩個成功通過CISPR 25 5類輻射測試的參考設計,為工程師提供可借鑒的實戰經驗。
引言
許多汽車和工業應用的目標是降低開關模式電源(SMPS)的輻射。SMPS因噪聲大且難以滿足CISPR輻射標準而廣為人知。在過去十年裏,我們一直努力降低SMPS的輻射,最終率先開發出一款異步升壓控製器IC(外部電源開關),側重於輕鬆地大幅減少電磁幹擾(EMI)。
單芯片開關十分便捷,適用於DC-DC轉換器應用。由於集成了電源器件、控kong製zhi環huan路lu和he其qi他ta功gong能neng,單dan芯xin片pian開kai關guan隻zhi需xu要yao極ji少shao的de外wai部bu元yuan件jian。雖sui然ran電dian源yuan開kai關guan的de集ji成cheng簡jian化hua了le電dian路lu板ban設she計ji和he布bu局ju,但dan不bu使shi用yong外wai部bu電dian源yuan開kai關guan時shi,輸shu出chu功gong率lv會hui降jiang低di。集ji成cheng開kai關guan具ju有you緊jin湊cou的de熱re回hui路lu和he更geng低di的de輻fu射she,將jiang所suo有you高gao功gong率lv損sun耗hao集ji中zhong在zaiIC封裝的有限空間內。這可能會帶來熱性能方麵的難題,特別是在高功率、高頻率或高電壓係統中。許多應用所需的功率水平超出了單芯片能夠提供的水平,高達50 W。因此,驅動外部功率FET的控製器IC仍然必不可少。

圖1.適用於LT8357的EVAL-LT8357-AZ高性能、低EMI評估板。

圖2.EVAL-LT8357-AZ熱回路示意圖。
weimanzushichangduiyudifusheshengyazhuanhuanqidebuduanzengchangdexuqiu,womenkaifalexinxingshengyakongzhiqi。zhekuanyibukongzhiqinenggouqudongdangegaodianyadianyuankaiguan,erqieyongtuguangfan,keyongzuoshengyahedanduanchujidianganzhuanhuanqi(SEPIC)。尤其是汽車應用,正好需要寬輸入電壓範圍、低靜態電流和擴頻特性。LT8357為工業、汽車和電池供電係統提供簡單、緊湊且高效的解決方案(參見圖1)。
近年來,ADI公司投入巨大精力,不斷突破技術界限,以降低開關轉換器的輻射。Silent Switcher®技術的推出意味著達到了理想的低輻射水平。2020年,首款Silent Switcher單芯片升壓轉換器LT8336發布。Silent Switcher IC是集成了同步電源開關的單芯片轉換器。這些IC將多種技術相結合(包括集成或減少熱回路),以最大限度降低因切換熱回路產生的輻射。1
Silent Switcher架構是實現低輻射的一種方法,但並不是唯一的方法。單芯片異步轉換器僅將一個電源開關集成到IC矽片或封裝中,也能實現低輻射。2
布局非常重要!
要在SMPS轉換器,尤其是控製器IC中實現低輻射,PCB布局是關鍵。與提供開關集成以幫助降低輻射的單芯片解決方案不同,控製器IC還需要考慮其他因素,從而最大限度降低輻射並滿足CISPR標準。本文提供相關技巧以實現性能最大化,其中圖7提供有關最佳輻射布局的指導,圖8至圖10展示了利用不當技術修改的布局。

圖3.EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類傳導電壓輻射,分別采用理想的PCB布局(A)與大熱回路(B)。

圖4.EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類傳導電壓輻射,分別采用理想的PCB布局(A)與擴大的開關節點平麵(C)。

圖5.EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類傳導電壓輻射,分別采用理想的PCB布局(A)與帶過孔的SW節點(D)。

圖6.EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類電磁輻射騷擾,分別采用理想的PCB布局(A)與帶過孔的SW節點(D)。
熱回路管理
異(yi)步(bu)開(kai)關(guan)模(mo)式(shi)升(sheng)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)主(zhu)開(kai)關(guan)和(he)輸(shu)出(chu)續(xu)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)。相(xiang)比(bi)之(zhi)下(xia),同(tong)步(bu)轉(zhuan)換(huan)器(qi)使(shi)用(yong)兩(liang)個(ge)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)和(he)電(dian)源(yuan)開(kai)關(guan),通(tong)過(guo)控(kong)製(zhi)邏(luo)輯(ji)實(shi)現(xian)同(tong)步(bu),以(yi)最(zui)大(da)限(xian)度(du)減(jian)少(shao)潛(qian)在(zai)續(xu)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)(異步)傳導損耗。然而,同步轉換器更加複雜,比如,要求柵極定時以防止直通電流,並且高端柵極驅動器需要額外的矽空間(和成本)。異步轉換器僅需要單個柵極驅動器,並且電源開關和續流二極管之間不需要消隱時間。
然而,這兩個組件之間的大電流開關動作可能會給低EMI轉換器造成難題。為了緩解潛在問題,最佳做法是盡量減少升壓轉換器中的熱回路。熱回路包含三個組成部分:主開關、續流二極管(或同步開關)和輸出電容。通常情況下(與LT8357一樣),峰值開關電流檢測電阻也是熱回路的一部分(參見圖2)。在SEPICpeizhizhong,rehuiluzhonghaibaohanlianggeraozuzhijiandeouhedianrong。darehuiluhuizaidadianliukaiguanlujingzhongyinruewaidezouxiandiangan。ewaidediangankenenghuidaozhixiangyingjiedianshangchuxiandianyajianfeng,chengweizhongyaodefusheyuan。tu3顯示了熱回路管理如何幫助減少傳導電壓測試中的一些輻射。

圖7.EVAL-LT8357-AZ最佳布局(A)。

圖8.EVAL-LT8357-AZ大熱回路(B)。

圖9.EVAL-LT8357-AZ大SW節點平麵(C)。

圖10.EVAL-LT8357-AZ帶過孔的SW節點(D)。
縮小開關節點平麵
在開發低EMI電路板時,縮小開關節點平麵的尺寸是另一個重要考慮因素。開關節點平麵由開關的漏極、電感的一端及續流二極管的陽極組成。通過大開關節點平麵增加熱傳導的表麵積雖然可能很有吸引力,但這會導致輻射增加。圖4顯示了縮小開關節點平麵如何有助於減少特定區域的傳導電壓輻射。
使開關節點平麵保持在同一層
無(wu)論(lun)何(he)時(shi),盡(jin)可(ke)能(neng)使(shi)開(kai)關(guan)節(jie)點(dian)平(ping)麵(mian)保(bao)持(chi)在(zai)單(dan)一(yi)層(ceng)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。有(you)時(shi),由(you)於(yu)尺(chi)寸(cun)限(xian)製(zhi),設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)能(neng)會(hui)將(jiang)電(dian)感(gan)放(fang)置(zhi)在(zai)一(yi)側(ce),將(jiang)開(kai)關(guan)放(fang)置(zhi)在(zai)另(ling)一(yi)側(ce)。然(ran)而(er),這(zhe)就(jiu)要(yao)求(qiu)開(kai)關(guan)節(jie)點(dian)平(ping)麵(mian)通(tong)過(guo)一(yi)些(xie)過(guo)孔(kong),遍(bian)曆(li)到(dao)另(ling)一(yi)個(ge)層(ceng),然(ran)後(hou)再(zai)回(hui)來(lai)。雖(sui)然(ran)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)可(ke)以(yi)節(jie)省(sheng)電(dian)路(lu)板(ban)板(ban)空(kong)間(jian),但(dan)會(hui)導(dao)致(zhi)輻(fu)射(she)增(zeng)加(jia)。開(kai)關(guan)節(jie)點(dian)上(shang)的(de)過(guo)孔(kong)可(ke)能(neng)會(hui)起(qi)到(dao)附(fu)加(jia)天(tian)線(xian)的(de)作(zuo)用(yong),發(fa)出(chu)噪(zao)聲(sheng)和(he)其(qi)他(ta)輻(fu)射(she),這(zhe)可(ke)通(tong)過(guo)用(yong)於(yu)測(ce)量(liang)輻(fu)射(she)的(de)天(tian)線(xian)輕(qing)鬆(song)檢(jian)測(ce)到(dao)。圖(tu)5和圖6詳細展示了開關節點上的過孔產生的輻射。
通過展頻(SSFM)實現高達2 MHz的開關頻率
隨(sui)著(zhe)器(qi)件(jian)不(bu)斷(duan)縮(suo)小(xiao)並(bing)將(jiang)更(geng)多(duo)功(gong)能(neng)和(he)功(gong)率(lv)要(yao)求(qiu)整(zheng)合(he)到(dao)更(geng)小(xiao)的(de)麵(mian)積(ji)中(zhong),對(dui)減(jian)少(shao)電(dian)路(lu)板(ban)麵(mian)積(ji)的(de)需(xu)求(qiu)日(ri)益(yi)增(zeng)長(chang),首(shou)當(dang)其(qi)衝(chong)的(de)就(jiu)是(shi)電(dian)源(yuan)。電(dian)感(gan)通(tong)常(chang)是(shi)最(zui)大(da)的(de)元(yuan)件(jian),在(zai)減(jian)少(shao)電(dian)路(lu)板(ban)麵(mian)積(ji)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)成(cheng)為(wei)一(yi)大(da)難(nan)題(ti)。有(you)充(chong)分(fen)證(zheng)據(ju)表(biao)明(ming),在(zai)開(kai)關(guan)轉(zhuan)換(huan)器(qi)中(zhong),所(suo)需(xu)電(dian)感(gan)與(yu)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)成(cheng)反(fan)比(bi)。例(li)如(ru),對(dui)於(yu)200 kHz,如果設計需要10 μH電感,那麼在2 MHz時,相同功率要求將僅需1 μH電感。LT8357提供高達2 MHz的開關頻率靈活性,允許顯著減小電感尺寸,從而縮小開關節點。尺寸縮小可能有利於降低輻射。
2 MHz開關頻率還帶來了另一個重要優勢。CISPR 25施加了從530 kHz到1.8 MHz的限製,被稱為MW頻段,其中包含AM射頻頻段。為了符合規定,建議避免將開關頻率設置在此範圍內。通過使用2 MHz的開關頻率,能夠完全避開MW頻段,為實現合規提供一些裕度。輻射圖的基波頻率在2 MHz時精確對準,後續諧波則出現在更高的頻率上。這樣便無需使用龐大的低頻濾波器來衰減低於頻率CISPR下限的輻射。
在某些情況下,盡管做了努力,但基波頻率和諧波仍可能會超出限值。為解決這一問題,ADI推出了具有SSFM特性的升壓控製器。SSFM特性對於通過CISPR 25輻射標準至關重要。利用三角擴頻技術,這款IC可將開關頻率智能地擴展至高於設定頻率19%。這種擴頻技術有助於降低最小和最大頻率下的輻射峰值。圖11顯示了內置SSFM功能如何影響輻射頻譜,從而幫助降低輻射以滿足CISPR標準。

圖11.LT8357 2 MHz電路板在SSFM開啟和關閉時的最大平均輻射EMI。
分離柵極驅動器和開關節點邊沿速率控製
在每個周期內,開關節點都會經曆從0 V到VOUT的變遷(上升和下降),因此產生了大量高頻輻射。在單芯片轉換器中,ICshejijuedingkaiguanjiediandeshangshenghexiajiangtexing,yonghuwufakongzhizhexieyinsu。xingyundeshi,xuduodanxinpianzhuanhuanqiketongguokongzhikaiguanbianyuanxingweilaizuidaxiandujianshaofushe。
對(dui)於(yu)控(kong)製(zhi)器(qi)而(er)言(yan),開(kai)關(guan)是(shi)外(wai)部(bu)的(de),控(kong)製(zhi)器(qi)提(ti)供(gong)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)信(xin)號(hao)來(lai)控(kong)製(zhi)外(wai)部(bu)開(kai)關(guan)。良(liang)好(hao)的(de)控(kong)製(zhi)器(qi)能(neng)夠(gou)精(jing)確(que)控(kong)製(zhi)開(kai)關(guan)的(de)導(dao)通(tong),從(cong)而(er)有(you)效(xiao)管(guan)理(li)開(kai)關(guan)漏(lou)極(ji)的(de)上(shang)升(sheng)和(he)下(xia)降(jiang)。適(shi)當(dang)控(kong)製(zhi)開(kai)關(guan)的(de)上(shang)升(sheng)和(he)下(xia)降(jiang)可(ke)以(yi)大(da)幅(fu)減(jian)少(shao)高(gao)頻(pin)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)。此(ci)外(wai),使(shi)用(yong)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)(通常約為5 Ω)可以進一步降低高頻率下的電磁輻射,但代價是效率降低。由於導通和關斷較慢,這種權衡取舍會產生額外的開關損耗。
LT8357yinruledutedefenlizhajiqudongqitexing。yiqian,yonghuzhinengtongguodangedianzulaikongzhizhajidedaotongheguanduan。xindefenlizhajiqudongqizhichiduizhajidedaotongheguanduanjinxingjingque、dulidekongzhi。shiyanfaxian,zhajidaotongchanshengdediancifushemingxiandayuguanduandeshihou。jingquekongzhijianmannagebianyandesulv,kedailaixianzhuyoushi。tongguozaishanglashicharuzhajidianzu,bingzaixialashihulvezhajidianzu,keyidafujiangdifushetongshibaochigaoxiaolv。
邊沿速率和開關輻射
圖12比較了不同柵極電阻之間的EVAL-LT8357-AZ輻射。根據圖12,柵極電阻主要影響400 MHz至500 MHz範圍內的輻射。

圖12.具有不同柵極電阻組合的EVAL-LT8357-AZ的最大平均電磁輻射。藍色:RP = RN = 5.1 Ω,淺藍色:RP = 5.1 Ω,RN = 0 Ω,紫色:RP = RN =0 Ω,紅色:RP = 0 Ω,RN = 5.1 Ω
據(ju)觀(guan)察(cha),上(shang)拉(la)電(dian)阻(zu)對(dui)降(jiang)低(di)輻(fu)射(she)的(de)影(ying)響(xiang)比(bi)下(xia)拉(la)電(dian)阻(zu)更(geng)為(wei)顯(xian)著(zhu),下(xia)拉(la)電(dian)阻(zu)帶(dai)來(lai)的(de)影(ying)響(xiang)極(ji)小(xiao)。因(yin)此(ci),為(wei)了(le)優(you)化(hua)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)並(bing)降(jiang)低(di)輻(fu)射(she),建(jian)議(yi)使(shi)用(yong)小(xiao)型(xing) 5 Ω電阻作為上拉電阻,且下拉電阻無阻值或短路。
例如,EVAL-LT8357-AZ使用5.1 Ω上拉電阻,不使用下拉電阻。

圖13.具有不同上拉柵極電阻的2 MHz LT8357升壓控製器的最大平均電磁輻射。12 VIN至24 VOUT,2 A。
減小功率損耗
表1顯示了帶有短路輸入和輸出EMI濾波器的2 MHz、12 V輸入至24 V、2 A輸出升壓轉換器的效率差異。數據顯示,通過將RN電阻減小至0 Ω,可實現最佳省電效果。開關功率損耗公式如下:

表1.配備不同柵極電阻的LT8357 2 MHz升壓轉換器的效率比較:12 VIN至24 VOUT,2 AOUT。

RGP是數據手冊中器件的“柵極上拉電阻”、用戶選擇的上拉柵極電阻及開關數據手冊中柵極電阻RG的組合。RGN是所有相同電阻的組合,但也包含下拉電阻。Ciss、Cgd、Vgp和VTH均可在電源開關的數據手冊中找到。
柵zha極ji驅qu動dong器qi和he開kai關guan柵zha極ji之zhi間jian的de電dian阻zu直zhi接jie影ying響xiang功gong率lv損sun耗hao。執zhi行xing所suo有you計ji算suan時shi,關guan斷duan開kai關guan損sun耗hao顯xian然ran相xiang當dang大da。有you趣qu的de是shi,由you於yu關guan斷duan期qi間jian流liu經jing開kai關guan的de電dian流liu較jiao大da,因yin此ci當dang柵zha極ji電dian阻zu相xiang同tong時shi,關guan斷duan功gong率lv損sun耗hao公gong式shi產chan生sheng的de損sun耗hao更geng高gao。由you於yu柵zha極ji關guan斷duan不bu會hui產chan生sheng大da量liang輻fu射she,因yin此ci在zaiGATEN引腳和開關柵極之間使用0 Ω電阻(或短路)可優化效率與輻射。例如,隻需取消下拉柵極電阻,2 MHz開關轉換器即可將效率提高幾個百分點。這種改善不容小覷。分離柵極電阻能夠降低輻射,同時又不犧牲與額外柵極電阻相關的效率。

圖14.針對2 MHz修改的EVAL-LT8357-AZ。
EVAL-LT8357-AZ 2MHz修改
EVAL-LT8357-AZ是一款精心設計的升壓轉換器,可在200 kHz開關頻率下實現低EMI。它配備一個相對較大的8 mm × 8 mm × 8 mm電感。然而,如果用戶認為電感尺寸太大,也可輕鬆修改電路板,以使其在2 MHz開關頻率下運行,同時保持相同的電壓和功率規格。通過這一修改,可以顯著縮小電感的尺寸,從8 mm × 8 mm × 8 mm減小到4 mm × 4 mm × 3 mm高的XGL4030-102電感。此外,無需使用龐大的混合聚合物輸出電容,並且可以縮小輸入EMI濾波器的尺寸。這些修改可節省大量電路板空間,同時仍支持從12 V輸入源轉換到24 V、2 A輸出的運行要求。圖15至18顯示了符合CISPR 25 5類輻射標準的2 MHz電路板。

圖15.修改後的2 MHz EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類傳導電壓輻射平均值。

圖16.修改後的2 MHz EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類傳導電壓輻射峰值。

圖17.修改後的2 MHz EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類電磁輻射騷擾平均值。

圖18.修改後的2 MHz EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5類電磁輻射騷擾峰值。
表2.新型低EMI升壓轉換器

結論
LT8357升壓控製器是一款功能豐富的產品,專為低輻射而設計,而且仍保持易於操作的特性。10引腳IC既ji不bu會hui過guo於yu複fu雜za,也ye不bu會hui因yin為wei過guo於yu簡jian單dan而er無wu法fa設she計ji。這zhe款kuan轉zhuan換huan器qi不bu包bao含han同tong步bu開kai關guan等deng不bu必bi要yao的de特te性xing,從cong而er確que保bao精jing簡jian設she計ji。它ta具ju有you足zu夠gou數shu量liang的de特te性xing,可ke保bao持chi高gao效xiao率lv和he低di輻fu射she。這zhe些xie特te性xing相xiang結jie合he,再zai加jia上shang易yi設she計ji性xing,使shi這zhe款kuan器qi件jian成cheng為wei表biao2所示的低輻射升壓轉換器係列的理想配套產品。
新一代升壓控製器經過專門設計,可滿足對低輻射、高電壓和高電流升壓轉換器日益增長的需求。作為異步控製器,它能夠驅動單個高電壓電源開關,而且用途廣泛,可用作升壓和SEPIC轉換器。此外,它支持自定義。其電流模式架構支持100 kHz至2 MHz的可調節和可同步的固定頻率運行方式。內部集成的19%三角SSFM運行特性可啟用或禁用,從而提高EMI性能。作為一款有價值的工具,分離式5 V柵極驅動器能夠在N溝道MOSFET或GaNFET中更好地平衡輻射和效率。這款升壓轉換器具有3 V至60 V的寬輸入電壓範圍、專用PGOOD引腳和8μA低靜態電流,為工業、汽車和電池供電係統提供簡單、緊湊和高效的解決方案。
參考文獻
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