【導讀】本文嚐試展示帶分立式續流二極管的異步轉換器如何還能實現低輻射。其中將會介紹不同類型的轉換器
、布局和封裝，以及為何受控開關非常有效
，還會詳細介紹在CISPR 25 5類輻射測試中
，低EMI評估電路的通過測試結果。

簡介

同步Silent Switcher®轉換器已經為功能強大
、結構緊湊且安靜的DC-DC轉換設定了黃金標準。在過去5年多的時間裏，我們了解到了大量這些低EMI同步降壓和升壓轉換器。這些DC-DC轉換器簡化了在高功率
、噪聲敏感環境中的係統級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聲音係統。與基於控製器的設計相比，單芯片（集成電源開關）升壓穩壓器提供了一種更緊湊的高效解決方案，通常用於5 V、12 V和24 V源電壓。

集成式同步開關及其在矽芯片1中的獨特布局是Silent Switcher轉換器“秘訣”的一部分。板載（集成式）kaiguankeyixingchengfeichangweixiaoderehuilu，bangzhujinkenengjiangdifushe。danshi，zhekenengdaozhichengbenzengjia，erqiebingfeisuoyouyingyongdouxuyaotongbukaiguan。ruguozhishijiangdangedianyuankaiguanjichengdaoguixinpianzhong
，bingqiekeyiyilaiwaibudichengbenfenlishixuliuerjiguanlaizuoweidierkaiguan，namekaiguanzhuanhuanqidechengbenhuijiangdi。zhezhongzuofazaijiaodichengbenzhuanhuanqizhonghenchangjian，danshi，ruguodifushefeichangzhongyao
，shifourengrankeyiruci？

帶分立式續流二極管的異步轉換器仍然可以實現低輻射。如果在設計時特別注意熱回路布局和dV/dt開關邊緣速率，那麼有可能使用異步轉換器實現低EMI開關應用。在展頻(SSFM)中集成降低輻射的額外措施是必要的。單芯片開關穩壓器
，例如LT3950 60 V、1.5 A異步LED驅動器和LT8334 40 V、5 A異步升壓轉換器，每個都在器件中集成了單個低端電源開關
，但它們依賴外部續流二極管
，同時仍然可以實現低輻射！它的工作原理是什麼呢？

圖1.(A) 異步單芯片升壓轉換器具有單個熱回路
，其中包含一個外部續流二極管。

(b) Silent Switcher轉換器具有兩個（相反）熱回路和全集成開關。

續流二極管與死區時間的關係

在單芯片轉換器中集成一個而不是兩個電源開關，可以使芯片尺寸減小30%到40%。芯片尺寸減小可以直接節省矽芯片成本，當矽芯片能夠集成到更小封裝中時，可以進一步實現二次成本降低。雖然有些PCB空間仍然需要專用於外部分立式續流二極管，但這些二極管數量多、可靠且價格便宜。在升壓轉換器中，具有低VF的肖特基二極管在高輸出電壓和低占空比下具有高效率，可以說性能優於價格昂貴的高壓功率FET。

yuanyinzhiyikenengshiyinweisiqushijian。zaidianxingdetongbuzhuanhuanqizhong
，zaiyushedesiqushijianneihuifashengdianyuankaiguantierjiguandaotong，yifangzhiqianzaidejichuanwenti。ruguotongbukaiguanzaizhukaiguannenggouwanquanguanbizhiqiandakai，zehuifashengjichuan，daozhishuruhuoshuchu（降壓或升壓）zhijieduididuanlu。zaigaokaiguanpinlvjizuixiaohezuidazhankongbixianzhixia，siqushijiankongzhihuichengweikaiguanshejizhongdeyigexianzhiyinsu。shiyongjuyoudizhengxiangdianyadedichengbenxuliuerjiguanzhihou

，wuxuzaizaikaiguanzhongtigongsiqushijianluoji——非常簡單。在大多數情況下，它們也優於功率開關（在死區時間期間導電）內部固有的體二極管的正電壓壓降。

簡單布局和封裝

首先，我們可以從簡單的單芯片升壓轉換器著手來展示基本的布局。圖2中的LT3950 60 V、1.5 A LED驅動器具有簡單的PCB熱回路。這個熱回路（在圖3中突出顯示）隻包含小型陶瓷輸出電容和尺寸相似的分立式續流二極管PMEG6010CEH。這些組件與LT3950 16引腳MSE封裝，以及散熱盤的開關引腳和GND麵緊密貼合。如此足以實現低輻射嗎

？這當然隻是公式的一部分。線焊16引腳MSE封裝和緊密的熱回路結合SSFM和受控良好的開關行為（開關電源過渡不會因為非常高的速度和寄生走線電感而振鈴），可以實現低輻射。

圖2.LT3950 (DC2788A)異步熱回路包括D1續流二極管。

盡管如此
，續流二極管和輸出電容仍與LT3950 16引腳MSE封裝緊密貼合。

突出顯示的異步開關節點小且緊湊，但並非不可能。開關節點的布局可能是實現低輻射結果的關鍵。

圖3.LT3950 LED驅動器是一個異步單芯片1.5 A
、60 V升壓轉換器。

升壓轉換器熱回路（黃色突出顯示）包含一個分立式續流二極管，不會減弱高頻率輻射。

接下來

，可以使用異步轉換器的單個開關來形成SEPIC拓撲（升壓和降壓），以擴展其實用性，不止局限於預期的升壓用途。因為是單開關
，所以很容易斷開升壓轉換器的熱回路，並在其中增加SEPIC耦合電容，如圖4和圖5所示。大多數同步升壓轉換器的頂部和底部開關都永久連接至單個開關節點，所以無法轉換成SEPIC。如果能多加關注由耦合電容、續流二極管和輸出電容形成的回路
，那麼SEPIC熱回路可以保持較小。

圖4.LT8334 40 V、5 A異步單片式升壓IC被用於SEPIC應用中。

SEPIC轉化器熱回路（黃色突出顯示）包含一個分立式續流二極管和一個耦合電容，不會減弱輻射。

圖5.LT8334單芯片40 V
、5 A異步開關，集成到微型4 mm × 3 mm 12引腳散熱增強型DFN封裝中。

LT8334 SEPIC (EVAL-LT8334-AZ)的熱回路布局中包含這個微型DFN

、

一個陶瓷耦合電容、一個陶瓷輸出電容和一個小型續流二極管。

LT8334異步升壓轉換器中包含一個集成式5 A、40 V開關。這個單芯片升壓轉換器IC適合用於構建12 V輸出SEPIC轉換器。圖4顯示標準型12 V、2 A+ SEPIC轉換器

，其中包含耦合電容C1和耦合電感的兩個電感線圈。由於微型PMEG4030ER續流二極管D1不是直接附加在開關節點上
，所以可以輕鬆將4.7 μF 0805陶瓷型隔直耦合電容置於二極管和開關節點之間。在EVAL-LT8334-AZ SEPIC評(ping)估(gu)板(ban)上(shang)，熱(re)回(hui)路(lu)布(bu)局(ju)保(bao)持(chi)較(jiao)小(xiao)。開(kai)關(guan)節(jie)點(dian)的(de)銅(tong)麵(mian)積(ji)盡(jin)可(ke)能(neng)保(bao)持(chi)較(jiao)小(xiao)，並(bing)且(qie)盡(jin)可(ke)能(neng)接(jie)近(jin)開(kai)關(guan)引(yin)腳(jiao)，有(you)助(zhu)於(yu)盡(jin)可(ke)能(neng)降(jiang)低(di)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)騷(sao)擾(rao)。請(qing)注(zhu)意(yi)
，整(zheng)個(ge)熱(re)回(hui)路(lu)都(dou)布(bu)局(ju)在(zai)1層
，且開關節點
，或者耦合電容另一側的耦合開關節點上都沒有通孔。這些開關節點應盡量保持較小
，且盡量接近，以實現出色結果。LT8334的12引腳DFN封裝有助於熱回路和輻射盡可能保持較小。

受控開關非常有效

單芯片（包括開關）開關轉換器在與SSFM、2 MHz基波開關頻率、出色的PCB布局和受控良好的開關組合使用時，可以有效幫助降低輻射。如果它們足夠有效，那麼可能無需利用Silent Switcher架構在低輻射方麵的巨大優勢（Silent Switcher架構是超低輻射黃金標準，但如果隻是為了通過輻射標準
，並非在所有情況下都需要用到）。在LT3950和LT8334中
，SSFM在基波頻率的基礎上向上擴展約20%
，然後以三角形的模式返回。SSFM是低EMI開關穩壓器共有的一個特征。SSFM有多種類型，但是每種類型的總體目標是分散輻射能量，並將峰值輻射和平均輻射降低到要求的限值以下。2 MHz開關頻率的一個目標是將基波開關頻率設置為高於AM射頻頻段（530 kHz至1.8 MHz）限製，使基波本身及其所有諧波產生的輻射不會幹擾射頻。當不需要考慮AM頻段時，可以放心使用更低的開關頻率。

內部開關和驅動器不受開關頻率影響，在設計時應謹慎小心，以避免某些不必要的行為，否則可能會降低開關轉換器的EMI性能。超快的振鈴開關波形可能會在100 MHz至400 MHz範圍內產生多餘的輻射，在電磁輻射騷擾測量中會非常明顯。IC中zhong受shou控kong良liang好hao的de開kai關guan不bu應ying表biao現xian得de像xiang一yi個ge輻fu射she錘chui
，而er應ying像xiang是shi一yi個ge開kai關guan邊bian緣yuan被bei抑yi製zhi的de有you效xiao橡xiang皮pi錘chui。受shou控kong的de電dian源yuan開kai關guan能neng以yi稍shao低di於yu可ke能neng值zhi的de速su度du讓rang電dian壓ya和he電dian流liu升sheng高gao和he降jiang低di。關guan於yu單dan芯xin片pian轉zhuan換huan器qi中zhong的de這zhe種zhong受shou控kong開kai關guan，圖tu6b中的2 V/ns開關速率和缺少振鈴就是一個不錯的示例。您可以看到
，這個內部開關非常柔和地開啟
，並達到0 V，後續也不會出現刺耳的振鈴。這對LT3950的輻射結果做出了很大的貢獻（參考下方的圖9至圖11）。通常，在單芯片開關穩壓器中，開關速度導致最大功率上升，散熱性能下降。但是
，如果能精心設計，可以事半功倍。

(a)                                                      (b)

圖6.LT3950受控開關的上升擺率為2 V/ns，下降擺率為2 V/ns，有助於在LED驅動器應用中保持高效率和低EMI，且幾乎不會產生開關節點振鈴。

帶柵極速率控製的異步升壓控製器

在有些情況下，要進行大功率DC-DC轉換
，需要在IC外部使用控製器和高壓
、高電流開關。在這種情況下，外部開關的柵極驅動器仍位於IC內部，但整個開關熱回路會移動到IC外部。有些創意性的熱回路和布局是有可能實現的，但因為分立式MOSFET本身的尺寸
，熱回路本身一般會變大。

LT8357大功率（異步）升壓控製器提供24 V、2 A (48 W)，且輻射非常低。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）之外，它還通過上升和下降柵極控製引腳來實現邊緣速率控製和減少輻射。使用一個簡單的5.1 Ω電阻RP（在GATEP上）就足以降低M1功率MOSFET的開啟邊緣速率

，並將電磁輻射騷擾保持在盡可能低的水平。當然
，一些輻射濾波器和SSFM也有助於減少輻射。EVAL-LT8357-AZ評估板還額外留出了輻射屏蔽位置，但對於大部分應用，可能沒有必要。這個異步升壓控製器與它的單片式版本非常相似，具有高功率、低EMI升壓和SEPIC應用所需的所有功能。

圖7.LT8357高壓升壓控製器具有分立式門引腳，用於單獨控製高功率分立式MOSFET開關邊緣的上升沿和下降沿。黃色方框圈出了分立式柵極引腳。

圖8.圖7中的LT8357升壓控製器具有出色的輻射和效率性能，R_P = 5.1 Ω
，R_N = 0 Ω。

單獨的門驅動引腳允許受控開關開啟，同時提供快速關斷。

在示意圖中，顏色分別表示：紅色R_P = 0
，R_N = 5.1；黃色R_P = 0
，R_N = 0
；

綠色R_P = 5.1，R_N = 0；藍色R_P = 5.1，R_N = 5.1。

通過CISPR 25 5類輻射標準

對低EMI評估電路（例如LT3950 DC2788A）進行了大量測試，以評估其電磁輻射和傳導輻射。圖9至圖11顯示成功的輻射測試結果，在測試時
，SSFM開啟
，采用12 V輸入
，330 mA電流流經25 V LED串。電流探針和電壓方法CE的結果都通過了非常嚴格的限值標準。在開關中，很容易出現FM頻段CE挑戰
，但LT3950不受FM頻段影響。

圖9.DC2788A LT3950通過了(a)平均和(b)峰值CISPR 25 5類傳導輻射測試（電流探針方法）。

圖10.DC2788A LT3950通過了(a)平均和(b)峰值CISPR 25 5類傳導輻射測試（電壓方法）。

圖11.DC2788A LT3950通過了(a)平均和(b)峰值CISPR 25 5類電磁輻射測試。

將開關頻率設置為2 MHz（300 kHz至2 MHz可調範圍），這樣，基波開關輻射可以保持高於AM射頻頻段（530 kHz至1.8 MHz），不會導致問題
，且無需在前端上加裝笨重的LC AM頻段濾波器。取而代之，LT3950使用的EMI濾波器可以是小巧的高頻率鐵氧體磁珠。

雖然熱回路中有額外的耦合電容，耦合電感中有額外的端口（使開關節點的數量翻倍），LT8334 SEPIC還是能保持低輻射。EVAL-LT8334-AZ SEPIC 12 VOUT評估套件也使用2 MHz和SSFM
，能提供低輻射。EVAL-LT8357-AZ升壓控製器可以實現相似的性能。有關這些器件的完整輻射結果、原理圖和測試選項
，可以訪問analog.com，查看對應的產品登錄頁麵。表1列出了一個新的低EMI異步升壓和SEPIC轉換器係列。單芯片IC和控製器IC結構簡單、成本低，采用多種拓撲
，具有大功率功能和低輻射，因此非常實用。當超低輻射成為首要的要求時，也可以使用高電流Silent Switcher升壓轉換器。

表1.新型低EMI單芯片升壓轉換器

，帶開關邊緣速率控製

結論

同步Silent Switcher和異步單芯片開關穩壓器都可以用於低輻射應用。與超高性能的Silent Switcher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續流二極管替代，後者在高壓下具有一定優勢
，能夠靈活地重新配置為SEPIC。當功率開關邊緣速率受到良好控製
，且提供有限的振鈴時

，小型塑料封裝和PCB中經過精心設計的小型熱開關回路區域都提供低輻射。這些特性應與其他低EMI特性（例如SSFM和EMI濾波器）結(jie)合(he)。即(ji)使(shi)在(zai)高(gao)功(gong)率(lv)升(sheng)壓(ya)控(kong)製(zhi)器(qi)中(zhong)，柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)控(kong)製(zhi)也(ye)有(you)助(zhu)於(yu)降(jiang)低(di)和(he)平(ping)緩(huan)開(kai)關(guan)邊(bian)緣(yuan)，以(yi)實(shi)現(xian)低(di)輻(fu)射(she)。請(qing)特(te)別(bie)注(zhu)意(yi)熱(re)回(hui)路(lu)的(de)最(zui)佳(jia)頂(ding)層(ceng)布(bu)局(ju)，並(bing)明(ming)智(zhi)地(di)選(xuan)擇(ze)您(nin)的(de)DC-DC轉換器，以實現低輻射設計。ADI公司推出的低EMI升壓轉換器係列可能剛好能夠滿足您的需求。

參考資料

1 Steve Knoth，“小尺寸高功率密度。”模擬對話，第53卷第4期，2019年10月。

作者簡介 

Keith Szolusha是ADI公司應用總監
，工作地點位於美國加利福尼亞州聖克拉拉。自2000年起，Keith任職於BBI Power Products Group
，重點關注升壓、降壓-升壓和LED驅動器產品，同時還管理電源產品部的EMI室。他畢業於馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學院(MIT)，1997年獲電氣工程學士學位，1998年獲電氣工程碩士學位
，專攻技術寫作。聯係方式：keith.szolusha@analog.com。

Kevin Thai是ADI公司應用工程師，工作地點位於美國加利福尼亞州聖克拉拉。他任職於CTL Power Products Group，負責監管單芯片升壓產品係列

，以及其他升壓、降壓-升壓和LED驅動器產品。他於2017年獲得加州理工大學電氣工程學士學位，於2018年獲得加州大學洛杉磯分校的電氣工程碩士學位。聯係方式：kevin.thai@analog.com。

作者：Keith Szolusha
，ADI 應用總監     Kevin Thai
，ADI 應用工程師

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