摘要 本文嘗試展示帶分立式續(xù)流二極管的異步轉(zhuǎn)換器如何還能實現(xiàn)低輻射。其中將會介紹不同類型的轉(zhuǎn)換器、布局和封裝，以及為何受控開關(guān)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(jié)果。
簡介 同步 Silent Switcher® 轉(zhuǎn)換器已經(jīng)為功能強大、結(jié)構(gòu)緊湊且安靜的 DC-DC 轉(zhuǎn)換設(shè)定了黃金標準。在過去 5 年多的時間里，我們了解到了大量這些低 EMI 同步降壓和升壓轉(zhuǎn)換器。這些 DC-DC 轉(zhuǎn)換器簡化了在高功率、噪聲敏感環(huán)境中的系統(tǒng)級 EMC 設(shè)計，例如冷啟動預(yù)升壓、驅(qū)動大電流 LED 串和高壓功率放大器聲音系統(tǒng)。與基于控制器的設(shè)計相比，單芯片（集成電源開關(guān)）升壓穩(wěn)壓器提供了一種更緊湊的高效解決方案，通常用于 5 V 、 12 V 和 24 V 源電壓。
集成式同步開關(guān)及其在硅芯片 1 中的獨特布局是 Silent Switcher 轉(zhuǎn)換器 “ 秘訣 ” 的一部分。板載（集成式）開關(guān)可以形成非常微小的熱回路，幫助盡可能降低輻射。但是，這可能導(dǎo)致成本增加，而且并非所有應(yīng)用都需要同步開關(guān)。如果只是將單個電源開關(guān)集成到硅芯片中，并且可以依賴外部低成本分立式續(xù)流二極管來作為第二開關(guān)，那么開關(guān)轉(zhuǎn)換器的成本會降低。這種做法在較低成本轉(zhuǎn)換器中很常見，但是，如果低輻射非常重要，是否仍然可以如此？
帶分立式續(xù)流二極管的異步轉(zhuǎn)換器仍然可以實現(xiàn)低輻射。如果在設(shè)計時特別注意熱回路布局和 dV/dt 開關(guān)邊緣速率，那么有可能使用異步轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)低 EMI 開關(guān)應(yīng)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(guān)穩(wěn)壓器，例如 LT3950 60 V 、 1.5 A 異步 LED 驅(qū)動器和 LT8334 40 V 、 5 A 異步升壓轉(zhuǎn)換器，每個都在器件中集成了單個低端電源開關(guān)，但它們依賴外部續(xù)流二極管，同時仍然可以實現(xiàn)低輻射！它的工作原理是什么呢？
圖 1.(A) 異步單芯片升壓轉(zhuǎn)換器具有單個熱回路，其中包含一個外部續(xù)流二極管。 (b) Silent Switcher 轉(zhuǎn)換器具有兩個（相反）熱回路和全集成開關(guān)。
續(xù)流二極管與死區(qū)時間的關(guān)系 在單芯片轉(zhuǎn)換器中集成一個而不是兩個電源開關(guān)，可以使芯片尺寸減小 30% 到 40% 。芯片尺寸減小可以直接節(jié)省硅芯片成本，當(dāng)硅芯片能夠集成到更小封裝中時，可以進一步實現(xiàn)二次成本降低。雖然有些 PCB 空間仍然需要專用于外部分立式續(xù)流二極管，但這些二極管數(shù)量多、可靠且價格便宜。在升壓轉(zhuǎn)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(yōu)于價格昂貴的高壓功率 FET 。
原因之一可能是因為死區(qū)時間。在典型的同步轉(zhuǎn)換器中，在預(yù)設(shè)的死區(qū)時間內(nèi)會發(fā)生電源開關(guān)體二極管導(dǎo)通，以防止?jié)撛诘膿舸﹩栴}。如果同步開關(guān)在主開關(guān)能夠完全關(guān)閉之前打開，則會發(fā)生擊穿，導(dǎo)致輸入或輸出（降壓或升壓）直接對地短路。在高開關(guān)頻率及最小和最大占空比限值下，死區(qū)時間控制會成為開關(guān)設(shè)計中的一個限制因素。使用具有低正向電壓的低成本續(xù)流二極管之后，無需再在開關(guān)中提供死區(qū)時間邏輯 —— 非常簡單。在大多數(shù)情況下，它們也優(yōu)于功率開關(guān)（在死區(qū)時間期間導(dǎo)電）內(nèi)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(zhuǎn)換器著手來展示基本的布局。圖 2 中的 LT3950 60 V 、 1.5 A LED 驅(qū)動器具有簡單的 PCB 熱回路。這個熱回路（在圖 3 中突出顯示）只包含小型陶瓷輸出電容和尺寸相似的分立式續(xù)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(guān)引腳和 GND 面緊密貼合。如此足以實現(xiàn)低輻射嗎？這當(dāng)然只是公式的一部分。線焊 16 引腳 MSE 封裝和緊密的熱回路結(jié)合 SSFM 和受控良好的開關(guān)行為（開關(guān)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(xiàn)低輻射。
圖 2.LT3950 (DC2788A) 異步熱回路包括 D1 續(xù)流二極管。盡管如此，續(xù)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(guān)節(jié)點小且緊湊，但并非不可能。開關(guān)節(jié)點的布局可能是實現(xiàn)低輻射結(jié)果的關(guān)鍵。
圖 3.LT3950 LED 驅(qū)動器是一個異步單芯片 1.5 A 、 60 V 升壓轉(zhuǎn)換器。升壓轉(zhuǎn)換器熱回路（黃色突出顯示）包含一個分立式續(xù)流二極管，不會減弱高頻率輻射。
接下來，可以使用異步轉(zhuǎn)換器的單個開關(guān)來形成 SEPIC 拓撲（升壓和降壓），以擴展其實用性，不止局限于預(yù)期的升壓用途。因為是單開關(guān)，所以很容易斷開升壓轉(zhuǎn)換器的熱回路，并在其中增加 SEPIC 耦合電容，如圖 4 和圖 5 所示。大多數(shù)同步升壓轉(zhuǎn)換器的頂部和底部開關(guān)都永久連接至單個開關(guān)節(jié)點，所以無法轉(zhuǎn)換成 SEPIC 。如果能多加關(guān)注由耦合電容、續(xù)流二極管和輸出電容形成的回路，那么 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 被用于 SEPIC 應(yīng)用中。 SEPIC 轉(zhuǎn)化器熱回路（黃色突出顯示）包含一個分立式續(xù)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(guān)，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(xù)流二極管。
LT8334 異步升壓轉(zhuǎn)換器中包含一個集成式 5 A 、 40 V 開關(guān)。這個單芯片升壓轉(zhuǎn)換器 IC 適合用于構(gòu)建 12 V 輸出 SEPIC 轉(zhuǎn)換器。圖 4 顯示標準型 12 V 、 2 A+ SEPIC 轉(zhuǎn)換器，其中包含耦合電容 C1 和耦合電感的兩個電感線圈。由于微型 PMEG4030ER 續(xù)流二極管 D1 不是直接附加在開關(guān)節(jié)點上，所以可以輕松將 4.7 μF 0805 陶瓷型隔直耦合電容置于二極管和開關(guān)節(jié)點之間。在 EVAL-LT8334-AZ SEPIC 評估板上，熱回路布局保持較小。開關(guān)節(jié)點的銅面積盡可能保持較小，并且盡可能接近開關(guān)引腳，有助于盡可能降低電磁輻射騷擾。請注意，整個熱回路都布局在 1 層，且開關(guān)節(jié)點，或者耦合電容另一側(cè)的耦合開關(guān)節(jié)點上都沒有通孔。這些開關(guān)節(jié)點應(yīng)盡量保持較小，且盡量接近，以實現(xiàn)出色結(jié)果。 LT8334 的 12 引腳 DFN 封裝有助于熱回路和輻射盡可能保持較小。
受控開關(guān)非常有效 單芯片（包括開關(guān)）開關(guān)轉(zhuǎn)換器在與 SSFM 、 2 MHz 基波開關(guān)頻率、出色的 PCB 布局和受控良好的開關(guān)組合使用時，可以有效幫助降低輻射。如果它們足夠有效，那么可能無需利用 Silent Switcher 架構(gòu)在低輻射方面的巨大優(yōu)勢（ Silent Switcher 架構(gòu)是超低輻射黃金標準，但如果只是為了通過輻射標準，并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(chǔ)上向上擴展約 20% ，然后以三角形的模式返回。 SSFM 是低 EMI 開關(guān)穩(wěn)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，并將峰值輻射和平均輻射降低到要求的限值以下。 2 MHz 開關(guān)頻率的一個目標是將基波開關(guān)頻率設(shè)置為高于 AM 射頻頻段（ 530 kHz 至 1.8 MHz ）限制，使基波本身及其所有諧波產(chǎn)生的輻射不會干擾射頻。當(dāng)不需要考慮 AM 頻段時，可以放心使用更低的開關(guān)頻率。
內(nèi)部開關(guān)和驅(qū)動器不受開關(guān)頻率影響 ， 在設(shè)計時應(yīng)謹慎小心 ， 以避免某些不必要的行為 ， 否則可能會降低開關(guān)轉(zhuǎn)換器的 EMI 性能。超快的振鈴開關(guān)波形可能會在 100 MHz 至 400 MHz 范圍內(nèi)產(chǎn)生多余的輻射 ， 在電磁輻射騷擾測量中會非常明顯。 IC 中受控良好的開關(guān)不應(yīng)表現(xiàn)得像一個輻射錘，而應(yīng)像是一個開關(guān)邊緣被抑制的有效橡皮錘。受控的電源開關(guān)能以稍低于可能值的速度讓電壓和電流升高和降低。關(guān)于單芯片轉(zhuǎn)換器中的這種受控開關(guān)，圖 6b 中的 2 V/ns 開關(guān)速率和缺少振鈴就是一個不錯的示例。您可以看到，這個內(nèi)部開關(guān)非常柔和地開啟，并達到 0 V ，后續(xù)也不會出現(xiàn)刺耳的振鈴。這對 LT3950 的輻射結(jié)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(guān)穩(wěn)壓器中，開關(guān)速度導(dǎo)致最大功率上升，散熱性能下降。但是，如果能精心設(shè)計，可以事半功倍。
(a) (b)
圖 6.LT3950 受控開關(guān)的上升擺率為 2 V/ns ，下降擺率為 2 V/ns ， 有助于在 LED 驅(qū)動器應(yīng)用中保持高效率和低 EMI ，且?guī)缀醪粫a(chǎn)生開關(guān)節(jié)點振鈴。
帶柵極速率控制的異步升壓控制器 在有些情況下，要進行大功率 DC-DC 轉(zhuǎn)換，需要在 IC 外部使用控制器和高壓、高電流開關(guān)。在這種情況下，外部開關(guān)的柵極驅(qū)動器仍位于 IC 內(nèi)部，但整個開關(guān)熱回路會移動到 IC 外部。有些創(chuàng)意性的熱回路和布局是有可能實現(xiàn)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）升壓控制器提供 24 V 、 2 A (48 W) ，且輻射非常低。它以低開關(guān)頻率為 3.5 mm × 3.5 mm MOSFET 供電，以實現(xiàn)高效轉(zhuǎn)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制引腳來實現(xiàn)邊緣速率控制和減少輻射。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，并將電磁輻射騷擾保持在盡可能低的水平。當(dāng)然，一些輻射濾波器和 SSFM 也有助于減少輻射。 EVAL-LT8357-AZ 評估板還額外留出了輻射屏蔽位置，但對于大部分應(yīng)用，可能沒有必要。這個異步升壓控制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(yīng)用所需的所有功能。
圖 7.LT8357 高壓升壓控制器具有分立式門引腳 ， 用于單獨控制高功率分立式 MOSFET 開關(guān)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 升壓控制器具有出色的輻射和效率性能， RP = 5.1 Ω ， RN = 0 Ω 。單獨的門驅(qū)動引腳允許受控開關(guān)開啟，同時提供快速關(guān)斷。在示意圖中，顏色分別表示：紅色 RP = 0 ， RN = 5.1 ；黃色 RP = 0 ， RN = 0 ；綠色 RP = 5.1 ， RN = 0 ；藍色 RP = 5.1 ， RN = 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(dǎo)輻射。圖 9 至圖 11 顯示成功的輻射測試結(jié)果，在測試時， SSFM 開啟，采用 12 V 輸入， 330 mA 電流流經(jīng) 25 V LED 串。電流探針和電壓方法 CE 的結(jié)果都通過了非常嚴格的限值標準。在開關(guān)中，很容易出現(xiàn) FM 頻段 CE 挑戰(zhàn)，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(dǎo)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(dǎo)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(guān)頻率設(shè)置為 2 MHz （ 300 kHz 至 2 MHz 可調(diào)范圍），這樣，基波開關(guān)輻射可以保持高于 AM 射頻頻段（ 530 kHz 至 1.8 MHz ），不會導(dǎo)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(guān)節(jié)點的數(shù)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(xiàn)相似的性能。有關(guān)這些器件的完整輻射結(jié)果、原理圖和測試選項，可以訪問 analog.com ，查看對應(yīng)的產(chǎn)品登錄頁面。表 1 列出了一個新的低 EMI 異步升壓和 SEPIC 轉(zhuǎn)換器系列。單芯片 IC 和控制器 IC 結(jié)構(gòu)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(dāng)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(zhuǎn)換器。
表 1. 新型低 EMI 單芯片升壓轉(zhuǎn)換器，帶開關(guān)邊緣速率控制
VIN 范圍
集成式 SW1
集成式 SW2
fSW
升壓
降壓 - 升壓
IC 封裝
AEC-Q100
特殊
LT8336
2.7 V 至 40 V
2.5A 、 40V
2.5A 、 40V
300 k 至 3 MHz + SSFM
ü
X
LQFN(16) 3 × 3 mm2
ü
4 µA 低 Iq 突發(fā)工作模式 PassThru™
LT8337
2.7 V 至 28 V
5 A 、 28 V
5 A 、 28 V
300 k 至 3 MHz + SSFM
ü
X
LQFN(16) 3 × 3 mm2
4 µA 低 Iq 突發(fā)工作模式 PassThru
LT3922-1
2.8 V 至 36 V
2.3 A 至 40 V
2.3 A 至 40 V
200 k 至 2 MHz + SSFM
ü
ü
降壓 - 升壓模式 LED
QFN(28) 4 × 5 mm2
ü
LED 驅(qū)動器 HUD
LT8386
4 V 至 56 V
3.3 A 、 60 V
3.3 A 、 60 V
200 k 至 2 MHz + SSFM
ü
降壓 - 升壓模式 LED
LQFN(28) 4 × 5 mm2
ü
LED 驅(qū)動器 HUD
LT8362
2.8 V 至 60 V
2 A 、 60 V
X
300 k 至 2 MHz + SSFM
ü
SEPIC
DDFN(10) 3 × 3 mm2 MSOP16(12)
ü
9 µA 低 Iq 突發(fā)工作模式
LT8333
2.8 V 至 40 V
3 A 、 60 V
X
300 k 至 2 MHz + SSFM
ü
SEPIC
DFN(10) 3 × 3 mm2
9 µA 低 Iq 突發(fā)工作模式
LT8364
2.8 V 至 60 V
4 A 、 60 V
X
300 k 至 2 MHz + SSFM
ü
SEPIC
DDFN(12) 4 × 3 mm2 MSOP16(12)
ü
9 µA 低 Iq 突發(fā)工作模式
LT8334
2.8 V 至 40 V
5 A 、 60 V
X
300 k 至 2 MHz + SSFM
ü
ü
SEPIC
DFN(12) 4 × 3 mm2
9 µA 低 Iq 突發(fā)工作模式
LT3950
3 V 至 60 V
1.5 A 、 60 V
X
300 k 至 2 MHz + SSFM
ü
降壓 - 升壓模式 LED
MSOP(16)
LED 驅(qū)動器
LT8357
3 V 至 60 V
X 控制器
X
100 k 至 2 MHz + SSFM
ü
SEPIC
MSOP(12)
8 µA 低 Iq 突發(fā)工作模式分立式門
LT8356-1
5 V 至 100 V
X 控制器
X
100 k 至 2 MHz + SSFM
ü
降壓 - 升壓模式 LED
SS.QFN(20) 3 × 4 mm2
ü
LED 驅(qū)動器
結(jié)論 同步 Silent Switcher 和異步單芯片開關(guān)穩(wěn)壓器都可以用于低輻射應(yīng)用。與超高性能的 Silent Switcher 轉(zhuǎn)換器相比 ， 異步升壓轉(zhuǎn)換器的成本更低。第二個開關(guān)被低成本續(xù)流二極管替代，后者在高壓下具有一定優(yōu)勢，能夠靈活地重新配置為 SEPIC 。當(dāng)功率開關(guān)邊緣速率受到良好控制，且提供有限的振鈴時，小型塑料封裝和 PCB 中經(jīng)過精心設(shè)計的小型熱開關(guān)回路區(qū)域都提供低輻射。這些特性應(yīng)與其他低 EMI 特性（例如 SSFM 和 EMI 濾波器）結(jié)合。即使在高功率升壓控制器中，柵極驅(qū)動控制也有助于降低和平緩開關(guān)邊緣，以實現(xiàn)低輻射。請?zhí)貏e注意熱回路的最佳頂層布局，并明智地選擇您的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，以實現(xiàn)低輻射設(shè)計。 ADI 公司推出的低 EMI 升壓轉(zhuǎn)換器系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。
