低輻射4開關降壓/升壓型控制器佈局-單熱迴路與雙熱迴路

作者:ADI 應用工程師Yonghwan Cho 和應用總監 Keith Szolusha


汽車應用電路必須滿足嚴格的EMI標準,以避免干擾廣播和行動服務頻段。在很多情況下,Silent Switcher®和Silent Switcher 2解決方案在滿足這些標準方面可以發揮重要作用。但是,在任何情況下,都必須要精心佈局。本文專門討論4開關降壓-升壓型控制器的兩種可能解決方案,並比較EMI室的測量結果。

4開關降壓-升壓轉換器將降壓和升壓控制器結合在單一IC中,當輸出低於輸入時,轉換器作為降壓器;當輸出高於輸入時,轉換器作為升壓器。在輸出和輸入接近的區域中,所有四個開關都可以工作。

功率產品研究團隊利用ADI位於加州聖克拉拉的內部EMI室,對原始雙熱迴路同步佈局的有效性進行了研究,看看能否使用替代佈局來降低EMI雜訊以通過EMI標準。

雙熱迴路佈局要求將熱迴路陶瓷電容對稱放置在功率MOSFET周圍,以遏制EMI雜訊。ADI獨特的感測電阻位置——在電感旁邊且在熱迴路外部——使得這些迴路可以非常小,從而大幅降低熱迴路的天線效應。為了實現這種對稱性並使開關節點能夠到達附近的電感,需要開關節點貫孔,而這可能會影響熱迴路區域。研究團隊利用符合CISPR 25標準的EMI室發現,外露的開關節點和較大熱迴路面積會產生干擾性傳導EMI,尤其是在>30 MHz(FM無線電頻段)時,這是最難衰減的頻率範圍。

對於具有單一熱迴路的原始降壓-升壓佈局,透過重新佈置功率MOSFET和熱迴路電容可以改善其最小熱迴路。這種佈局稱為單熱迴路,與之相對應的是雙熱迴路。使用單一熱迴路的好處是不僅開關損耗較小,而且能夠衰減>30 MHz的傳導發射(CE),因為熱迴路面積和開關節點的外露部分已最小化。其有效性已透過如下方式得到驗證:使用相同的控制器IC和相同的功率元件,比較新佈局與雙熱迴路佈局的EMI雜訊。實驗使用了一個4個開關降壓-升壓控制器 LT8392及其兩種版本的展示電路(DC2626A rev.2和rev.3)。

佈局比較

圖1顯示了雙熱迴路和單熱迴路的佈局與裝配板照片。每個板都有四層:頂層(第1層)、第2層、第3層和底層(第4層)。但是,圖中僅顯示了頂層和底層。如圖1(a)所示,熱迴路電容位於中心MOSFET的左側和右側,形成相同的熱迴路。開關節點過孔用於通過底層(如圖1(c)所示)和第3層將開關節點SW1和SW2連接到主電源電感。SW1和SW2頂層銅節點採用大面積佈局,以耗散電感和MOSFET的熱量。但同時,大部分外露的SW1和SW2銅節點成為EMI輻射源。如果電路板安裝在底盤接地附近,則底盤和開關節點銅之間會形成寄生電容。它使高頻雜訊從開關節點流到底盤接地,影響系統中的其他電路。在符合CISPR 25標準的EMI室中,高頻雜訊流過EMI設置和LISN的接地台。外露的交換節點還會充當天線,引起輻射EMI雜訊。

然而,單熱迴路在底層沒有外露的開關節點銅,如圖1(d)所示。在圖1(b)所示的頂層,熱迴路電容僅放置在MOSFET的一側,這使得開關節點可以連接到電感而無需使用開關節點貫孔。

Figure 1. Layout and photograph of a dual hot loop and single hot loop.
圖1.雙熱迴路和單熱迴路的佈局與照片

在單熱迴路佈局中,頂部和底部MOSFET不對齊,但其中一個旋轉90°以使熱迴路盡可能小。圖1(e)和圖1(f)中的黃色高亮框比較了雙熱迴路與單熱迴路的熱迴路大小。這些框顯示,單熱迴路的熱迴路為雙熱迴路的一半。

應該注意,圖1(a)所示的雙熱迴路的兩個0402熱迴路電容未被使用,並且1210熱迴路電容被擠壓到MOSFET以使熱迴路最小。

剝離0402電容焊墊附近的阻焊層,以使1210電容連接良好。另外,電感焊墊附近的阻焊層被移除,以在單熱迴路電路中使用該同一電感。熱迴路越小,表示迴路的總電感越小。因此,開關損耗得以減少,開關節點和開關電流的LC振鈴也得以衰減。另外,較小的迴路有助於降低30 MHz以上的傳導EMI,因為電磁輻射騷擾會影響該範圍內的傳導EMI。

ADI的專有峰值降壓/峰值升壓電流模式控制方案使得4開關降壓-升壓控制器可以形成最小的熱迴路。電流檢測電阻與主電感串聯。相較之下,競爭對手的控制器使用谷值降壓/峰值升壓電流模式控制方案,其中電流檢測電阻應放在底部MOSFET的源極和地之間。圖2顯示了此類元件之一的推薦降壓-升壓佈局。如黃框所示,熱迴路大於雙熱迴路或單熱迴路。此外,檢測電阻的寄生電感增加了熱迴路的總電感。

Figure 2. The recommended buck-boost layout of competitor part LM5176.
圖2.競爭元件LM5176的推薦降壓-升壓佈局

EMI比較

雙熱迴路和單熱迴路的EMI是在符合CISPR 25標準的EMI室中測量,結果顯示於圖3中。圖3還提供了CISPR 25 Class 5標準限值。EMI結果繪製在同一圖中以比較差異,雙熱迴路用黃線標示,單熱迴路用紅線標示。灰線是在環境條件下測得的雜訊基準。如圖4所示,雙熱迴路的底層的外露開關節點用銅帶遮罩接地,以顯示該較小熱迴路的效果如何。沒有銅遮罩的雙熱迴路的輻射遠高於圖3中的結果。輸出為12 V、8 A,輸入電壓設定為13 V,以使電路操作在4開關切換模式。

Figure 3. EMI comparison graph of a dual hot loop and single hot loop: (a) voltage method conducted emissions peak and average, (b) current probe method conducted emissions 50 mm peak and average, (c) current probe method conducted emissions 750 mm peak and average, and (d) radiated emissions vertical peak and average.
圖3.雙熱迴路和單熱迴路的EMI比較曲線:(a) 電壓法傳導發射峰值和均值,(b) 電流探針法傳導發射50 mm峰值和均值,(c) 電流探針法傳導發射750 mm峰值和均值,(d) 輻射發射垂直峰值和均值。

 

圖3(a)分別顯示了電壓法傳導發射的峰值和均值。單熱迴路在30 MHz以上的CE要低5 dBμV,滿足CISPR 25 Class 5標準對峰值和均值CE的要求,而雙熱迴路在FM和VHF頻段(68 MHz至約108 MHz)的均值有過沖,如黃色高亮框所示。

請注意,在該頻率範圍內降低5 dbμv非常有挑戰性。單熱迴路不僅在30 MHz的高頻範圍(這是最難衰減的區域)有效,在包括AM頻段(0.53 MHz至約1.8 MHz)的低頻(<2 MHz)範圍也有效。輻射總是越低越好,尤其是當其為CE時,因為這會影響所有電連接的系統。

電流探針方法是CISPR 25 Class 5指定的另一種測量方法。它在距離DUT 50 mm和750 mm的兩個不同位置測量共模傳導發射,而電壓方法測量共模和差模的混合傳導發射。圖3(b)和3(c)比較了雙熱迴路和單熱迴路的電流探針法傳導發射。結果顯示,單熱迴路在30 MHz以上(尤其是FM頻段)具有更低的傳導發射,如黃色高亮框所示。與電壓法傳導發射不同,在AM頻段周圍的低頻處,單熱迴路相對於雙熱迴路沒有明顯優勢。

Figure 4. Shielded switching nodes of bottom layer of a dual hot loop.
圖4.雙熱迴路的底層的遮罩開關節點

最後,圖3(d)顯示了兩種不同降壓-升壓佈局的輻射發射(RE)。結果幾乎相同,不過雙熱迴路的尖峰在大約90 MHz時,比單熱迴路高5 dbμv/m。

熱比較

圖5顯示了雙熱迴路和單熱迴路的熱比較。熱圖像是在9.4 V輸入電壓和SSFM開啟的情況下測得。9.4 V是4開關工作區域的最低點,此後工作模式切換到輸出電壓為12 V的2開關純升壓模式。因此,測試條件最為惡劣。雙熱迴路的最熱元件、升壓側底部MOSFET和單熱迴路的溫度幾乎相同。雖然單熱迴路的底層沒有可以散熱的開關節點通孔和銅,但由於熱迴路較小,其開關損耗低於雙熱迴路。另外,不使用開關節點過孔使得單熱迴路的頂層能夠達到更好的散熱效果,因為MOSFET漏極焊墊和開關節點銅的接觸面積大於雙熱迴路的接觸面積。

結論

新型高功率設計建議使用新型單熱迴路降壓-升壓佈局。由於開關節點的外露部分和熱迴路面積極小,單熱迴路具有降低傳導和輻射發射的明顯優勢,而不具散熱缺點。值得注意的是,它能降低30 MHz以上的傳導發射,這是最難衰減的頻率區域。由於ADI的4開關降壓-升壓控制器(LT8390/LT8390ALT8391/LT8391ALT8392LT8393LT8253等)具備專有峰值降壓/峰值升壓電流模式控制特性,因此熱迴路可以做得比競爭元件的熱迴路小很多。該控制特性導致效率更高而EMI更低,使得ADI的4開關降壓-升壓控制器成為汽車應用或任何EMI敏感應用的卓越選擇。

Figure 5. (a) Thermal image of a dual hot loop, and (b) thermal image of a single hot loop.
圖5.(a) 雙熱迴路的熱圖像,(b) 單熱迴路的熱圖像。