高压异步升压控制器如何显著减少EMI

引言

许多汽车和工业应用的目标是降低开关模式电源(SMPS)的辐射。SMPS因噪声大且难以满足CISPR辐射标准而广为人知。在过去十年里，我们一直努力降低SMPS的辐射，最终率先开发出一款异步升压控制器IC（外部电源开关），侧重于轻松地大幅减少电磁干扰(EMI)。

单芯片开关十分便捷，适用于DC-DC转换器应用。由于集成了电源器件、控制环路和其他功能，单芯片开关只需要极少的外部元件。虽然电源开关的集成简化了电路板设计和布局，但不使用外部电源开关时，输出功率会降低。集成开关具有紧凑的热回路和更低的辐射，将所有高功率损耗集中在IC封装的有限空间内。这可能会带来热性能方面的难题，特别是在高功率、高频率或高电压系统中。许多应用所需的功率水平超出了单芯片能够提供的水平，高达50 W。因此，驱动外部功率FET的控制器IC仍然必不可少。

图1 适用于LT8357的EVAL-LT8357-AZ高性能、低EMI评估板

图2 EVAL-LT8357-AZ热回路示意图

为满足市场对于低辐射升压转换器的不断增长的需求，我们开发了新型升压控制器。这款异步控制器能够驱动单个高电压电源开关，而且用途广泛，可用作升压和单端初级电感转换器(SEPIC)。尤其是汽车应用，正好需要宽输入电压范围、低静态电流和扩频特性。LT8357为工业、汽车和电池供电系统提供简单、紧凑且高效的解决方案（参见图1）。

近年来，ADI公司投入巨大精力，不断突破技术界限，以降低开关转换器的辐射。Silent Switcher®技术的推出意味着达到了理想的低辐射水平。2020年，首款Silent Switcher单芯片升压转换器LT8336发布。Silent Switcher IC是集成了同步电源开关的单芯片转换器。这些IC将多种技术相结合（包括集成或减少热回路），以最大限度降低因切换热回路产生的辐射。¹

Silent Switcher架构是实现低辐射的一种方法，但并不是唯一的方法。单芯片异步转换器仅将一个电源开关集成到IC硅片或封装中，也能实现低辐射。²

布局非常重要！

要在SMPS转换器，尤其是控制器IC中实现低辐射，PCB布局是关键。与提供开关集成以帮助降低辐射的单芯片解决方案不同，控制器IC还需要考虑其他因素，从而最大限度降低辐射并满足CISPR标准。本文提供相关技巧以实现性能最大化，其中图7提供有关最佳辐射布局的指导，图8至图10展示了利用不当技术修改的布局。

图3 EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5类传导电压辐射，分别采用理想的PCB布局(A)与大热回路(B)

图4 EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5类传导电压辐射，分别采用理想的PCB布局(A)与扩大的开关节点平面(C)

图5 EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5类传导电压辐射，分别采用理想的PCB布局(A)与带过孔的SW节点(D)

图6 EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5类电磁辐射骚扰，分别采用理想的PCB布局(A)与带过孔的SW节点(D)

热回路管理

异步开关模式升压转换器需要使用主开关和输出续流二极管。相比之下，同步转换器使用两个栅极驱动器和电源开关，通过控制逻辑实现同步，以最大限度减少潜在续流二极管（异步）传导损耗。然而，同步转换器更加复杂，比如，要求栅极定时以防止直通电流，并且高端栅极驱动器需要额外的硅空间（和成本）。异步转换器仅需要单个栅极驱动器，并且电源开关和续流二极管之间不需要消隐时间。

然而，这两个组件之间的大电流开关动作可能会给低EMI转换器造成难题。为了缓解潜在问题，最佳做法是尽量减少升压转换器中的热回路。热回路包含三个组成部分：主开关、续流二极管（或同步开关）和输出电容。通常情况下（与LT8357一样），峰值开关电流检测电阻也是热回路的一部分（参见图2）。在SEPIC配置中，热回路中还包含两个绕组之间的耦合电容。大热回路会在大电流开关路径中引入额外的走线电感。额外的电感可能会导致相应节点上出现电压尖峰，成为重要的辐射源。图3显示了热回路管理如何帮助减少传导电压测试中的一些辐射。

图7 EVAL-LT8357-AZ最佳布局(A)

图8 EVAL-LT8357-AZ大热回路(B)

图9 EVAL-LT8357-AZ大SW节点平面(C)

图10 EVAL-LT8357-AZ带过孔的SW节点(D)

缩小开关节点平面

在开发低EMI电路板时，缩小开关节点平面的尺寸是另一个重要考虑因素。开关节点平面由开关的漏极、电感的一端及续流二极管的阳极组成。通过大开关节点平面增加热传导的表面积虽然可能很有吸引力，但这会导致辐射增加。图4显示了缩小开关节点平面如何有助于减少特定区域的传导电压辐射。

使开关节点平面保持在同一层

无论何时，尽可能使开关节点平面保持在单一层至关重要。有时，由于尺寸限制，设计人员可能会将电感放置在一侧，将开关放置在另一侧。然而，这就要求开关节点平面通过一些过孔，遍历到另一个层，然后再回来。虽然这种方法可以节省电路板板空间，但会导致辐射增加。开关节点上的过孔可能会起到附加天线的作用，发出噪声和其他辐射，这可通过用于测量辐射的天线轻松检测到。图5和图6详细展示了开关节点上的过孔产生的辐射。

通过展频(SSFM)实现高达2 MHz的开关频率

随着器件不断缩小并将更多功能和功率要求整合到更小的面积中，对减少电路板面积的需求日益增长，首当其冲的就是电源。电感通常是最大的元件，在减少电路板面积的过程中成为一大难题。有充分证据表明，在开关转换器中，所需电感与开关频率成反比。例如，对于200 kHz，如果设计需要10 μH电感，那么在2 MHz时，相同功率要求将仅需1 μH电感。LT8357提供高达2 MHz的开关频率灵活性，允许显著减小电感尺寸，从而缩小开关节点。尺寸缩小可能有利于降低辐射。

2 MHz开关频率还带来了另一个重要优势。CISPR 25施加了从530 kHz到1.8 MHz的限制，被称为MW频段，其中包含AM射频频段。为了符合规定，建议避免将开关频率设置在此范围内。通过使用2 MHz的开关频率，能够完全避开MW频段，为实现合规提供一些裕度。辐射图的基波频率在2 MHz时精确对准，后续谐波则出现在更高的频率上。这样便无需使用庞大的低频滤波器来衰减低于频率CISPR下限的辐射。

在某些情况下，尽管做了努力，但基波频率和谐波仍可能会超出限值。为解决这一问题，ADI推出了具有SSFM特性的升压控制器。SSFM特性对于通过CISPR 25辐射标准至关重要。利用三角扩频技术，这款IC可将开关频率智能地扩展至高于设定频率19%。这种扩频技术有助于降低最小和最大频率下的辐射峰值。图11显示了内置SSFM功能如何影响辐射频谱，从而帮助降低辐射以满足CISPR标准。

图11 LT8357 2 MHz电路板在SSFM开启和关闭时的最大平均辐射EMI

分离栅极驱动器和开关节点边沿速率控制

在每个周期内，开关节点都会经历从0 V到V_OUT的变迁（上升和下降），因此产生了大量高频辐射。在单芯片转换器中，IC设计决定开关节点的上升和下降特性，用户无法控制这些因素。幸运的是，许多单芯片转换器可通过控制开关边缘行为来最大限度减少辐射。

对于控制器而言，开关是外部的，控制器提供栅极驱动信号来控制外部开关。良好的控制器能够精确控制开关的导通，从而有效管理开关漏极的上升和下降。适当控制开关的上升和下降可以大幅减少高频电磁辐射。此外，使用栅极电阻（通常约为5 Ω）可以进一步降低高频率下的电磁辐射，但代价是效率降低。由于导通和关断较慢，这种权衡取舍会产生额外的开关损耗。

LT8357引入了独特的分离栅极驱动器特性。以前，用户只能通过单个电阻来控制栅极的导通和关断。新的分离栅极驱动器支持对栅极的导通和关断进行精确、独立的控制。实验发现，栅极导通产生的电磁辐射明显大于关断的时候。精确控制减慢哪个边沿的速率，可带来显著优势。通过在上拉时插入栅极电阻，并在下拉时忽略栅极电阻，可以大幅降低辐射同时保持高效率。

边沿速率和开关辐射

图12比较了不同栅极电阻之间的EVAL-LT8357-AZ辐射。根据图12，栅极电阻主要影响400 MHz至500 MHz范围内的辐射。

图12 具有不同栅极电阻组合的EVAL-LT8357-AZ的最大平均电磁辐射。蓝色：RP = RN = 5.1 Ω，浅蓝色：RP = 5.1 Ω，RN = 0 Ω，紫色：RP = RN =0 Ω，红色：RP = 0 Ω，RN = 5.1 Ω

据观察，上拉电阻对降低辐射的影响比下拉电阻更为显著，下拉电阻带来的影响极小。因此，为了优化功率损耗并降低辐射，建议使用小型 5 Ω电阻作为上拉电阻，且下拉电阻无阻值或短路。

例如，EVAL-LT8357-AZ使用5.1 Ω上拉电阻，不使用下拉电阻。

图13 具有不同上拉栅极电阻的2 MHz LT8357升压控制器的最大平均电磁辐射。12 V_IN至24 V_OUT，2 A

减小功率损耗

表1显示了带有短路输入和输出EMI滤波器的2 MHz、12 V输入至24 V、2 A输出升压转换器的效率差异。数据显示，通过将RN电阻减小至0 Ω，可实现最佳省电效果。开关功率损耗公式如下：

表1 配备不同栅极电阻的LT8357 2 MHz升压转换器的效率比较：12 V_IN至24 V_OUT，2 A_OUT

RGP是数据手册中器件的“栅极上拉电阻”、用户选择的上拉栅极电阻及开关数据手册中栅极电阻RG的组合。RGN是所有相同电阻的组合，但也包含下拉电阻。C_iss、C_gd、V_gp和V_TH均可在电源开关的数据手册中找到。

栅极驱动器和开关栅极之间的电阻直接影响功率损耗。执行所有计算时，关断开关损耗显然相当大。有趣的是，由于关断期间流经开关的电流较大，因此当栅极电阻相同时，关断功率损耗公式产生的损耗更高。由于栅极关断不会产生大量辐射，因此在GATEN引脚和开关栅极之间使用0 Ω电阻（或短路）可优化效率与辐射。例如，只需取消下拉栅极电阻，2 MHz开关转换器即可将效率提高几个百分点。这种改善不容小觑。分离栅极电阻能够降低辐射，同时又不牺牲与额外栅极电阻相关的效率。

图14 针对2 MHz修改的EVAL-LT8357-AZ

EVAL-LT8357-AZ 2MHz修改

EVAL-LT8357-AZ是一款精心设计的升压转换器，可在200 kHz开关频率下实现低EMI。它配备一个相对较大的8 mm × 8 mm × 8 mm电感。然而，如果用户认为电感尺寸太大，也可轻松修改电路板，以使其在2 MHz开关频率下运行，同时保持相同的电压和功率规格。通过这一修改，可以显著缩小电感的尺寸，从8 mm × 8 mm × 8 mm减小到4 mm × 4 mm × 3 mm高的XGL4030-102电感。此外，无需使用庞大的混合聚合物输出电容，并且可以缩小输入EMI滤波器的尺寸。这些修改可节省大量电路板空间，同时仍支持从12 V输入源转换到24 V、2 A输出的运行要求。图15至18显示了符合CISPR 25 5类辐射标准的2 MHz电路板。

图15 修改后的2 MHz EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5类传导电压辐射平均值

图16 修改后的2 MHz EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5类传导电压辐射峰值

图17 修改后的2 MHz EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5类电磁辐射骚扰平均值

图18.修改后的2 MHz EVAL-LT8357-AZ CISPR 25 5类电磁辐射骚扰峰值

表2 新型低EMI升压转换器

结论

LT8357升压控制器是一款功能丰富的产品，专为低辐射而设计，而且仍保持易于操作的特性。10引脚IC既不会过于复杂，也不会因为过于简单而无法设计。这款转换器不包含同步开关等不必要的特性，从而确保精简设计。它具有足够数量的特性，可保持高效率和低辐射。这些特性相结合，再加上易设计性，使这款器件成为表2所示的低辐射升压转换器系列的理想配套产品。

新一代升压控制器经过专门设计，可满足对低辐射、高电压和高电流升压转换器日益增长的需求。作为异步控制器，它能够驱动单个高电压电源开关，而且用途广泛，可用作升压和SEPIC转换器。此外，它支持自定义。其电流模式架构支持100 kHz至2 MHz的可调节和可同步的固定频率运行方式。内部集成的19%三角SSFM运行特性可启用或禁用，从而提高EMI性能。作为一款有价值的工具，分离式5 V栅极驱动器能够在N沟道MOSFET或GaNFET中更好地平衡辐射和效率。这款升压转换器具有3 V至60 V的宽输入电压范围、专用PGOOD引脚和8μA低静态电流，为工业、汽车和电池供电系统提供简单、紧凑和高效的解决方案。

参考文献

1 Tony Armstrong，“Silent Switcher器件安静且简单”，《模拟对话》，第53卷，2019年4月。

2 Keith Szolusha和Kevin Thai，“异步DC-DC升压转换器（包含续流二极管）还能实现低辐射吗？”，ADI公司，2022年3月。

3“Power MOSFET Basics:Understanding Gate Charge and Using It to Assess Switching Performance”，Vishay，2016年2月。

4“How to Select the Right CoolMOS and Its Power Handling Capability”，Infineon Technologies，2002年。

5 BSZ0500NSI，Infineon Technologies，2021年。

6 BSZ0506NS，Infineon Technologies，2021年。

7 George Lakkas，“MOSFET Power Losses and How They Affect Power-Supply Efficiency”，Texas Instruments，2015年。

作者简介

Kevin Thai是ADI公司应用经理，工作地点位于美国加利福尼亚州圣何塞。他任职于IPS Power Products Group，负责监管隔离反激和保护产品系列，以及其他升压、降压-升压和GaN控制器产品。他于2017年获得美国加州理工大学电气工程学士学位，于2018年获得美国加州大学洛杉矶分校的电气工程硕士学位。

Keith Szolusha是ADI公司应用总监，工作地点位于美国加利福尼亚州圣何塞。自2000年起，Keith任职于IPS Power Products Group，重点关注降压、升压、降压-升压、LED、GaN控制器和驱动器产品，同时还管理电源产品部的EMI室。他毕业于马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院(MIT)，1997年获电气工程学士学位，1998年获电气工程硕士学位，专攻技术写作。