非同步DC-DC升壓轉換器能實現低輻射嗎?

作者 : Keith Szolusha & Kevin Thai,ADI 

DC-DC轉換器是否必須同步才能實現低輻射?本文嘗試展示具有離散式續流二極體的非同步轉換器如何實現低輻射…

為了展示具有離散式續流二極體的非同步轉換器如何實現低輻射,本文首先介紹不同類型的轉換器、佈局和封裝,以及為何受控開關非常有效,接著將詳細介紹在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、結構精巧且安靜的 DC-DC轉換設定了黃金標準。過去5年多的時間以來,我們瞭解大量低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、雜訊敏感環境中的系統級EMC設計,例如冷開機預升壓、驅動大電流LED串和高壓功率放大器音訊系統。

相較於基於控制器的設計,單晶片(整合電源開關)升壓穩壓器提供了一種更精巧的高效解決方案,通常用於5V、12V和24V電源電壓。

整合式同步開關及其在矽晶片1中的獨特佈局是Silent Switcher轉換器「秘訣」的一部份。板載(整合式)開關可以形成非常微小的熱迴路,協助盡可能降低輻射。但是,這可能導致成本增加,而且並非所有應用都需要同步開關。如果只是將單一電源開關整合到矽晶片中,並且可以依賴外部低成本離散式續流二極體作為第二開關,那麼開關轉換器的成本會降低。這種做法在較低成本轉換器中很常見,但是,如果低輻射非常重要,是否仍然可以採用這種方式?

具有離散式續流二極體的非同步轉換器仍然可以實現低輻射。如果在設計時特別注意熱迴路佈局和dV/dt切換邊緣速率,那麼可能使用非同步轉換器實現低EMI開關應用。在展頻(SSFM)中整合降低輻射的額外措施是必要的。

單晶片開關穩壓器,例如 LT3950 60V、1.5A非同步LED驅動器和 LT8334  40V、5A非同步升壓轉換器,每個都在元件中整合了單一低階電源開關,但它們依賴外部續流二極體,同時仍然可以實現低輻射!那麼其工作原理是什麼呢?

Figure 1. (a) Nonsynchronous monolithic boost converters have a single hot loop, which includes an external catch diode. (b) Silent Switcher converters have two (opposing) hot loops and fully integrated switches.

1(A) 非同步單晶片升壓轉換器具有單一熱迴路,其中包含一個外部續流二極體。(b) Silent Switcher轉換器具有兩個(相反)熱迴路和全整合開關。

續流二極體與死區時間的關係

在單晶片轉換器中整合一個(而不是兩個)電源開關,可以使晶片尺寸減小30%到40%。晶片尺寸減小可以直接節省矽晶片成本,當矽晶片能夠整合到更小封裝中時,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離散式續流二極體,但這些二極體數量多、可靠且價格便宜。在升壓轉換器中,具有低VF的蕭特基二極體在高輸出電壓和低操作週期下具有高效率,可以說性能優於價格昂貴的高壓功率FET。

原因之一可能是因為死區時間。在典型的同步轉換器中,在預設的死區時間內會發生電源開關體二極體導通,以防止潛在的擊穿問題。如果同步開關在主開關能夠完全關閉之前打開,則會發生擊穿,導致輸入或輸出(降壓或升壓)直接對地短路。在高切換頻率及最小和最大操作週期限值下,死區時間控制會成為開關設計中的一個限制因素。使用具有低正向電壓的低成本續流二極體之後,無需再在開關中提供死區時間邏輯——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)內部固有的體二極體的正電壓壓降。

簡單佈局和封裝

首先,我們可以從簡單的單晶片升壓轉換器著手,以展示基本的佈局。2中的LT3950 60V、1.5A LED驅動器具有簡單的PCB熱迴路。這個熱迴路(在3中突顯)只包含小型陶瓷輸出電容和尺寸相似的離散式續流二極體PMEG6010CEH。這些組件與LT3950 16接腳MSE封裝,以及散熱盤的開關接腳和GND面緊密貼合。

如此足以實現低輻射嗎?這當然只是公式的一部份。線焊16接腳MSE封裝和緊密的熱迴路結合SSFM和受控良好的開關行為(開關電源轉換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。

Figure 2. LT3950 (DC2788A) nonsynchronous hot loop includes the D1 catch diode. Nonetheless, the catch diode and output capacitor are fit tightly with the LT3950 16-lead MSE package. The highlighted nonsynchronous switching node is small and compact, but not impossibly so. The layout of the switching node can be critical to low emission results.

2LT3950 (DC2788A)非同步熱迴路包括D1續流二極體。儘管如此,續流二極體和輸出電容仍與LT3950 16接腳MSE封裝緊密貼合。突顯的非同步開關節點小且精巧,但並非不可能。開關節點的佈局可能是實現低輻射結果的關鍵。

Figure 3. The LT3950 LED driver is a nonsynchronous monolithic 1.5 A, 60 V boost converter. The boost converter hot loop, highlighted in yellow, includes a discrete catch diode without compromising high frequency emissions.

3LT3950 LED驅動器是一個非同步單晶片1.5 A60 V升壓轉換器。升壓轉換器熱迴路(以黃框顯示)包含一個離散式續流二極體,不會減弱高頻率輻射。

接下來,可以使用非同步轉換器的單一開關來形成SEPIC拓撲(升壓和降壓),以擴展其實用性,不止侷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迴路,並在其中增加SEPIC耦合電容,如45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一開關節點,所以無法轉換成SEPIC。如果能多加關注由耦合電容、續流二極體和輸出電容形成的迴路,那麼SEPIC熱迴路可以保持較小。

Figure 4. LT8334 40 V, 5 A nonsynchronous monolithic boost IC is used in a SEPIC application. The SEPIC converter hot loop, highlighted in yellow, includes both a discrete catch diode and a coupling capacitor without compromising emissions.

4LT8334 40V5A非同步單片式升壓IC被用於SEPIC應用中。SEPIC轉化器熱迴路(以黃框顯示)包含一個離散式續流二極體和一個耦合電容,不會減弱輻射。

Figure 5. LT8334 single 40 V, 5 A nonsynchronous switch fits into a tiny 4 mm × 3 mm 12-lead thermally enhanced DFN package. The hot-loop layout of an LT8334 SEPIC (EVAL-LT8334-AZ) includes this tiny DFN, a ceramic coupling capacitor, a ceramic output capacitor, and a small catch diode.

5LT8334單晶片40V5A非同步開關,整合到微型4mm × 3mm 12接腳散熱增強型DFN封裝中。LT8334 SEPIC (EVAL-LT8334-AZ)的熱迴路佈局中包含這個微型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體。

LT8334非同步升壓轉換器中包含一個整合式5 A、40 V開關。這個單晶片升壓轉換器IC適合用於建構12 V輸出SEPIC轉換器。4顯示標準型12V、2A+ 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續流二極體D1不是直接附加在開關節點上,所以可以輕鬆將4.7μF 0805陶瓷型隔直耦合電容置於二極體和開關節點之間。

在EVAL-LT8334-AZ SEPIC評估板上,熱迴路佈局保持較小。開關節點的銅面積盡可能保持較小,並且盡可能接近開關接腳,有助於盡可能降低電磁輻射騷擾。請注意,整個熱迴路都佈局在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。這些開關節點應儘量保持較小且儘量接近。LT8334的12接腳DFN封裝有助於熱迴路和輻射盡可能保持較小。

受控開關非常有效

單晶片(包括開關)開關轉換器在與SSFM、2MHz基波切換頻率、卓越的PCB佈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架構在低輻射方面的巨大優勢(Silent Switcher架構是超低輻射黃金標準,但如果只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徵。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。2MHz切換頻率的一個目標是將基波切換頻率設定為高於AM射頻頻段(530kHz至1.8MHz)限制,使基波本身及其所有諧波產生的輻射不會干擾射頻。當不需要考慮AM頻段時,可以放心使用更低的切換頻率。

內部開關和驅動器不受切換頻率影響,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100MHz至400MHz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中受控良好的開關不應表現得像一個輻射錘,而應像是一個開關邊緣被抑制的有效橡皮錘。受控的電源開關能以稍低於可能值的速度讓電壓和電流升高和降低。

關於單晶片轉換器中的這種受控開關,6b中的2V/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0V,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911)。通常,在單晶片開關穩壓器中,切換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。

Figure 6. LT3950 controlled switching slew rate of 2 V/ns rise and 2 V/ns fall is effective in maintaining high efficiency and low EMI in LED driver applications with little switching node ring.

6LT3950受控開關的上升擺率為2V/ns,下降擺率為2V/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。

具有閘極速率控制的非同步升壓控制器

在有些情況下,要進行大功率DC-DC轉換,需要在IC外部使用控制器和高壓、高電流開關。在這種情況下,外部開關的閘極驅動器仍位於IC內部,但整個開關熱迴路會移動到IC外部。有些創意性的熱迴路和佈局是有可能實現的,但因為離散式MOSFET本身的尺寸,熱迴路本身一般會變大。

LT8357 大功率(非同步)升壓控制器提供24V、2A (48W),且輻射非常低。它以低開關頻率為3.5mm × 3.5mm MOSFET供電,以實現高效轉換。除了緊密的熱迴路(7)之外,並透過上升和下降閘極控制接腳來實現邊緣速率控制和減少輻射。使用一個簡單的5.1Ω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準。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遮罩位置,但對於大部分應用可能沒有必要。這個非同步升壓控制器與它的單晶片式版本非常相似,具有高功率、低EMI升壓和SEPIC應用所需的所有功能。

Figure 7. LT8357 high voltage boost controller has split gate pins for separate control of rising and falling edge of the high power discrete MOSFET switching edge. The yellow outline focuses on the split gate pins.

7LT8357高壓升壓控制器具有離散式閘接腳,用於單獨控制高功率離散式MOSFET開關邊緣的上升邊緣和下降邊緣。黃色方框圈出了離散式閘極接腳。

Figure 8. The LT8357 Figure 7 boost has the best emission and efficiency performance with RP = 5.1 Ω and RN = 0 Ω. A separate gate drive pins allow a controlled switching turn-on while providing a fast turn-off. In the diagram, the colors represent: red RP = 0, RN = 5.1; yellow RP = 0, RN = 0; green RP = 5.1, RN = 0; and blue RP = 5.1, RN = 5.1.

8:圖7中的LT8357升壓控制器具有卓越的輻射和效率性能,RP = 5.1ΩRN = 0Ω。單獨的閘驅動接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RP = 0RN = 5.1;黃色RP = 0RN = 0 綠色RP = 5.1RN = 0;藍色RP = 5.1RN = 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。911顯示成功的輻射測試結果,在測試時,SSFM開啟,採用12V輸入,330mA電流流經25V 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。

Figure 9. DC2788A LT3950 passes both (a) average (b) and peak CISPR 25 Class 5 conducted emissions (current probe method).

9DC2788A 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)

Figure 10. DC2788A LT3950 passes both (a) average and (b) peak CISPR 25 Class 5 conducted emissions (voltage method).

10DC2788A 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)


Figure 11. DC2788A LT3950 passes both (a) average and (b) peak CISPR 25 Class 5 radiated emissions.

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

將切換頻率設定為2MHz (300kHz至2MHz可調範圍),如此基波切換輻射可以保持高於AM射頻頻段(530kHz至1.8MHz),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。取而代之的是,LT3950使用的EMI濾波器可以是小巧的高頻率鐵氧體磁珠。

雖然熱迴路中有額外的耦合電容,耦合電感中有額外的埠(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升壓控制器可以實現相似的性能。

新型低EMI單晶片升壓轉換器,具有切換邊緣速率控制。單晶片IC和控制器IC結構簡單、成本低,採用多種拓撲,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。

結論

同步Silent Switcher和非同步單晶片開關穩壓器都可以用於低輻射應用。相較於超高性能的Silent Switcher轉換器,非同步升壓轉換器的成本更低。第二個開關被低成本續流二極體取代,後者在高壓下具有一定優勢,能夠彈性地重新配置為SEPIC。

當功率切換邊緣速率受到良好控制,且提供有限的振鈴時,小型塑膠封裝和PCB中經過精心設計的小型熱開關迴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)結合。即使在高功率升壓控制器中,閘極驅動控制也有助於降低和平緩切換邊緣,以實現低輻射。對於熱迴路最佳頂層佈局的關注,以及明智選擇DC-DC轉換器將有助於實現低輻射設計,而ADI推出的低EMI升壓轉換器系列能夠滿足這些需求。

本文作者:

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

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