使用 DC／DC 降压转换器改进汽车设计

汽车行业不断寻求改进，从而为汽车配备更多传感器和新的电子功能。目标是提高功率水平，目前工程师可能需要依靠降压拓扑来达到新的效率标准。

汽车行业不断寻求改进，从而为汽车配备更多传感器和新的电子功能。目标是提高功率水平，目前工程师可能需要依靠降压拓扑来达到新的效率标准。
降压转换器可以以更高的效率提供比典型 LDO 更多的功率，但有一个缺点 - 其开关特性会产生电磁干扰 (EMI)，这对于汽车应用来说可能是一个严重的问题。幸运的是，工程师可以使用许多技巧和工具来降低 EMI，包括优化电路板布局、利用 IC 功能以及添加电路。
DC/DC 转换器会因输入纹波、与附近电路的电和磁耦合以及电磁辐射而产生 EMI。EMI 会干扰 AM/FM 无线电接收器和其他敏感设备，例如主机或驾驶员辅助系统 (ADAS) 传感器。严重的 EMI 可能会在收音机和主机音频中产生静态噪声或其他类型的噪声，干扰 ADAS 传感器，并降低其他系统的性能。
为了防止这种严重的性能下降，工程师需要设计符合标准的系统，例如国际无线电扰动委员会 (CISPR) 25 5 级。由于不良布局可能导致任何设备无法达到标准机构设定的 EMI 限制，因此重要的是在电路板布局期间遵循良好的布局优化实践。降压转换器重要的做法是：
减少电压快速变化（高 dv/dt）的节点表面积，以及减小快速变化电流（高 di/dt）的电流环路面积。
这两条基本规则将决定工程师放置某些组件的位置，以限度地减少 EMI。
不幸的是，即使是化的 PCB 布局也无法避免所有与 EMI 相关的问题。此外，由于电路板尺寸和形状或时间限制，通常无法像我们希望的那样优化 EMI 布局。例如，非常紧凑的布局可能需要您将功率电感器放置在电路板的底部，或者将输入电容器放置在距离 IC 稍远的位置，以尽量减少 EMI。
这些和其他布局限制可能会导致 EMI，从而降低系统性能。即使有经验和细心，董事会也可能需要进一步优化。这些额外的董事会修订需要时间和金钱。那么，除了优化布局以限度地降低应用的 EMI 之外，您还可以做什么呢？
克服电路板布局限制如果无法优化布局以获得 EMI，某些 DC/DC 转换器会在器件级别提供大量封装和功能改进，以帮助限度地降低 EMI 并更容易满足 CISPR 25 5 类限制。这些功能使电路板设计与布局更加无关；换句话说，它们可以帮助弥补布局的缺陷。
例如，扩频功能可扩展谐波能量以降低峰值和平均 EMI 测量的值。它通过抖动开关频率（加减一定百分比）来扩展频谱密度来实现这一点。例如，扩展 ±2% 会看到 25 次及 更高次谐波上的谐波能量完全混合或重叠，而不是固定频率，这将保持在基频上间隔的谐波尖峰。能量在较高频率中均匀分布，从而产生较低的测量值包络，需要较少的滤波和布局优化，从而节省时间和金钱。
转换速率控制是另一个有助于提高 EMI 性能的功能。EMI 的主要来源是开关环。开关振铃是由高侧 FET 快速导通引起的，它快速从输入电容拉电流，导致输入寄生环路电感和寄生电容谐振而产生数百兆赫的振铃。低侧 FET 的。减慢上升时间可以减慢即时电流消耗，从而减少振铃和 EMI。可以通过添加与启动电容器串联的电阻器（大约几欧姆）来减慢上升时间，并且某些器件具有专用的启动电阻器引脚。这里需要权衡：减慢 FET 的转换可以限度地降低 EMI，但也会增加开关损耗，从而降低效率。
还有一些封装级功能有助于抑制 EMI。TI 的 HotRod 封装就是一个例子，它消除了内部键合线，如图 1所示 。不连续电流会导致开关节点产生数百兆赫兹的振铃，从而产生耦合和辐射，从而产生 EMI。去除输入电容器不连续电流的高 di/dt 环路路径中的键合线可降低环路电感。这反过来又减少了振铃中的能量，从而降低了 EMI。LM61460-Q1 和 LM53635-Q1等器件  采用 HotRod 封装。

标准焊线四方扁平无引线 (QFN) HotRod QFN图 1 通过该横截面视图，工程师可以比较标准引线键合四方扁平无引线 (QFN) 封装和 TI 的 HotRod QFN。资料 德州仪器其他封装级功能包括优化的引脚排列。器件可以通过组织引脚布局来提高 EMI 性能，从而使输入电容器等关键路径保持尽可能小。设备通常将 VIN 和 GND（或 PGND）引脚彼此相邻放置，以便为电容器的连接提供优化的位置。
更进一步的是对称引脚排列。将 VIN/PGND 对称地放置在封装的两侧，可以使输入环路磁场保持独立，从而进一步降低 EMI。许多 DC/DC 降压转换器（例如 LMR33630、  LMR36015、  LM61460和 LMQ61460-Q1） 都具有对称的 VIN/PGND 引脚对（图 2b）。
集成输入电容器下一代 EMI 优化封装使用集成电容器来进一步降低输入寄生电感。LMQ61460-Q1 在两侧均包含两个集成输入旁路电容器，每个 VIN/PGND 对各一个。这些电容器是横跨右上和右下引脚对（VIN 和 PGND）的黑色矩形，如图 2a所示。图 2b 显示了器件引脚排列以供参考。

限度地减少高频 EMI 尤为重要，因为汽车应用中常见的较高输入电压和较高输出电流可能会加剧该领域的问题。
LMQ61460-Q1 降压静音转换器图 2 X 射线图像显示了带有集成电容器 (a) 的 LMQ61460-Q1 降压静音转换器，您可以将其与引脚排列参考 (b) 进行比较。资料德州仪器虽然 EMI 确实给汽车应用带来了挑战，但如果设计工程师遇到电路板布局限制，他们也并非没有选择。有很多方法可以应对这一挑战，从战略器件引脚排列到低电感封装、转换速率控制、扩频和集成电容器等集成功能。
这些功能使工程师能够放松严格的 EMI 布局优化的要求，以换取全面的布局，从而为更好的热性能和/或更小的解决方案尺寸提供更多的优化空间。这些功能可改进您的设计，以自信地满足标准机构设定的 EMI 限制。