蘇州萊瑞測信息科技有限公司
通過節省時間和成本的創新技術降低電源中的EMI
2021-11-30     來源:安規與電磁兼容網    作者:TI    瀏覽:44    評論:0        
導讀:隨著電子系統變得越來越密集并且互連程度越來越高,降低電磁干擾 (EMI) 的影響日益成為一個關鍵的系統設計考慮因素。本白皮書分析了開關模式電源中的 EMI,并提供了一些可幫助設計人員快速且輕松地通過業界通用 EMI
隨著電子系統變得越來越密集并且互連程度越來越高,降低電磁干擾 (EMI) 的影響日益成為一個關鍵的系統設計考慮因素。本白皮書分析了開關模式電源中的 EMI,并提供了一些可幫助設計人員快速且輕松地通過業界通用 EMI 測試的技術示例。
1 什么是 EMI?
EMI 是一種電磁能量(開關電流和電壓的不良副產物),它來自多種物理現 象,可在嚴格的 EMI 測試中表現出來。
2 降低 EMI 的常規方法
降低 EMI 是一項需要進行各種權衡的棘手工作。降低 EMI 的 常規方法包括使用大型且昂貴的濾波器或降低開關壓擺率,該技術會直接影響效率。
3 降低 EMI 的創新技術
為了實現開關模式電源的所有優勢,EMI 降低技術對于平衡傳統的權衡要素而言 至關重要。這需要采用適用于低頻和高 頻 EMI 的創新解決方案以及精確的建模技術。
鑒于 EMI 可能在后期嚴重阻礙設計進度,浪費大量時間和資金,因此必須在設計之初就考慮 EMI 問題。
開關模式電源 (SMPS) 是現代技術中普遍使用的電路之一,在大多數應用中,該電路可提供比線性穩壓器更大的效率。但這種效率提高是有代價的,因為 SMPS 中功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET) 的開關會產生大量 EMI,進而影響電路可靠性。EMI 主要來自不連續的輸入電流、開關節點上的快速壓擺率以及由電源環路中寄生電感引起的開關邊沿額外振鈴。
下頁圖 1 以降壓轉換器拓撲為例,說明了不同頻帶下各個因素的影響。隨著設計壓力不斷提升,通過提高開關頻率來降低尺寸和成本,以及通過增大壓擺率來提高效率,使 EMI 問題變得更加嚴重。因此,有必要采用不影響電源設計、同時具有成本效益且易于集成的 EMI 緩解技術。
什么是 EMI?
在要求電磁兼容性(EMC)的系統中,設計時應降低干擾源組件的干擾性和易受干擾的組件的敏感性。當終端設備制造商集成來自不同供應商的組件時,確保具有干擾性的組件和易受干擾的電路能夠互不影響的唯一方法是建立一套共同的規則,其 中,具有干擾性的組件的干擾性被限制在一定范圍之內,使得易受干擾的電路能夠在此范圍內降低影響。
這些規則是根據業界通用規范(如適用于汽車行業的國際無線電干擾特別委員會 (CISPR) 25 和適用于多媒體設備的 CISPR 32)建立的。CISPR 標準決定了任何 EMI 緩解技術的最終性能,因此對于 EMI 設計至關重要。由于SMPS是典型的電磁干擾源, 因此本白皮書的重點是討論如何減少此類干擾。如需獲取 EMI 標準的完整列表,請參閱白皮書《電源的傳導 EMI 規格概述》和《電源的輻射 EMI 規格概述》。
 

 

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 圖 1.SMPS 中的 EMI 源示例

 


除了解給定應用的相應標準之外,了解如何測量 EMI 也很重要,這將幫助您深入了解如何降低 EMI。EMI 測量通常分為傳導 EMI 測量和輻射EMI 測量,顧名思義,這同時說明了 EMI 的測量方法和產生機理。盡管傳導發射通常與較低的頻 率 (《30MHz) 相關,輻射發射通常與較高的頻率(》30MHz) 相關,但這兩者之間的區別并不是那么簡單,因為傳導頻率范圍和輻射頻率范圍有所重 疊。


傳導發射測量旨在量化從器件產生并返回到其電源的 EMI。對于許多應用而言,降低這些發射至關重要,因為同一電源線通常都連接著許多其他敏感電路。在現代汽車中,長線束的數量不斷增加,因此降低長線束的傳導 EMI 尤為重要。

 

圖 2 顯示了用于傳導發射的通用測試設置,包括電源、線路阻抗穩定網絡 (LISN)、EMI 接收器、電源線和被測器件 (DUT)。LISN 扮演著關鍵角色, 可充當低通濾波器,確保 EMI 測量的可重復性和可比性,并為 DUT 提供精確的阻抗。圖 2 還說明了將傳導發射細分為共模 (CM) 電流和差模 (DM) 電流。DM 電流在電源線與其返回路徑之間流動, 是較低頻率范圍內的主要因素。CM 電流在每條電源線與接地之間流動,是較高頻率范圍內的主要因素。


輻射 EMI 測量的設置與傳導 EMI 測量類似,主要區別在于前者的 EMI 接收器不是直接連接到 LISN, 而是連接到附近的天線。SMPS 中的輻射能量來自產生磁場的快速瞬態電流環路以及產生電場的快速瞬態電壓表面。由于產生輻射磁場的電流環路也產生 DM 傳導發射,并且產生輻射電場的電壓表面也產生 CM 傳導發射,因此許多 EMI 緩解技術都可以降低傳導發射和輻射發射,但可能專門針對其中一項。


通常,通過大型無源濾波器來緩解較低頻率的發 射,會增加解決方案的電路板面積和成本。高頻發射在測量、建模和緩解方面面臨著不同的挑戰,這主要是其寄生性質導致的。常見的高頻發射緩解技術包括控制壓擺率和減小寄生效應。圖 3 總結了本白皮書中包含的緩解技術、這些技術適用的頻帶以及 CISPR 25 標準中的頻率范圍示例。

 

 

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圖 2.用于傳導發射測量的通用測試設置,其中 DM和 CM 環路分別以青色和紅色突出顯示

 

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圖 3.本白皮書中介紹的 EMI 緩解技術匯總

 

降低 EMI 的常規方法(面向低頻和高頻范圍)

 

當其他系統共享公共物理觸點時,由 SMPS 中不連續電流產生的輸入電壓紋波可能會傳導到這些系統中。如果沒有適當的緩解措施,那么過大的輸入或輸出電壓紋波可能會影響電源、負載或相鄰系 統的運行。過去,您可以使用基于無源電感電容器(LC) 的 EMI 濾波器來顯著減小輸入紋波,如圖 4 所示。LC 濾波器可提供滿足 EMI 規格所必需的衰減。代價是會使系統的尺寸和成本增大(具體取決于所需的衰減),這將降低總功率密度。此外,用于輸入 EMI 濾波器設計的大型電感器會因其自諧振頻率較低而在高于 30MHz 的頻率范圍內無法衰減,從而需要鐵氧體磁珠等附加組件處理高頻衰減。

 

緩解 EMI 的另一種傳統方法是使用擴頻(或時鐘抖動)來調制 SMPS 的開關頻率,這將降低與基本開關頻率及其諧波相關的頻譜峰值,但代價是使本底噪聲增大,如圖 5 所示。

 

擴頻是一項有吸引力的技術,因為它易于實現并且您可以將其與其他 EMI 降低方法結合使用。但該技術不是萬靈藥,因為它只能相對降低現有的 EMI, 并且根據其特性,其性能會在開關頻率較低時降 低。此外,您通常只能將擴頻應用于單個頻帶,原因將在下一節中說明。

 

為了更大程度地減小濾波電感器的尺寸,您可以為 SMPS 設計選擇更高的開關頻率。不過,對于切換器操作,需避免使用敏感頻帶。例如,以前汽車電源解決方案的推薦開關頻率一直處于 AM 以下頻帶(約 400kHz)。通過選擇較高的開關頻率來顯著減小電感器尺寸,意味著您必須避開整個 AM 頻帶(525kHz 至 1,705kHz),從而在更嚴格的汽車 EMI 頻帶上不會產生基本的開關雜散。

 

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圖 4.典型的用于降低 EMI、基于 LC 的無源濾波器,以及實現的衰減

 

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圖 5.采用擴頻技術和未采用擴頻技術的 SMPS 頻譜示例

 

德州儀器 (TI) 開關轉換器的開關頻率高于1.8MHz,可以滿足 EMI 頻帶的要求。為降低開關損耗而提高開關頻率的措施對開關轉換上升和下降時間的要求更為嚴格。不過,具有很短上升和下降時間的開關節點即使在接近第 100 次諧波的高頻率下,也能保持較高的能量(如圖 6 所示),這再次突出了高效率與低 EMI 之間的權衡。

 

由于直流/直流轉換器的電源路徑中存在寄生電感, 因此高壓擺率還會導致高頻率開關節點振鈴,這進一步增加了振鈴頻率及更高頻率下的發射。下頁圖 7 顯示了壓擺率和開關節點相關振鈴如何影響發射。限制由開關轉換引起的 EMI 發射的傳統方法是,通過在開關器件的柵極驅動路徑中特意添加電阻來降低 EMI 發射的速度。這導致轉換發生得更慢,從而使發射更快地滾降,并且使發射在振鈴頻率下降低 8 至 10dB。不過,這種開關邊沿的減慢會導致開關轉換器的峰值電流效率降低 2% 至3%。

 

降低低頻發射的創新技術

 

讓我們來看看 TI 在構建其轉換器和控制器時使用的幾種技術,這些技術可在效率、EMI、尺寸和成本之間實現基本平衡。

 

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圖 6.具有不同上升時間的方波的 EMI 圖

 

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圖7.不同的開關節點壓擺率和相關的振鈴對高頻發射的影響。更低的壓擺率會影響 30MHz 至 200MHz 頻帶的EMI 滾降,而更低的振鈴會在約 400MHz 的振鈴頻率下影響 EMI。

 

擴頻

 

擴頻技術利用能量守恒原理,通過將能量分散在多個頻率上來減小 EMI 峰值。然而,敏感電路“面臨”的峰值能量可能不會降低;它取決于敏感電路帶寬和頻率調制方式之間的關系。測量EMI時,頻譜分析器屬于敏感電路,而工業標準規定了分辨率帶寬 (RBW)。因此,以更有效的方式根據實際標準調制頻率非常重要。一般的經驗是,使調制頻率fm 約等于目標 RBW,擴展帶寬 ΔfC 約為 ±5% 至±10%。圖 8 在時域和頻域中說明了這些參數。

 

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圖 8.時域和頻域中的擴頻參數 fm 和 ΔfC。

 

CISPR 25 等標準中通常將 fm 設置在 9kHz 左右以優化低頻頻帶,這也恰好在可聞范圍內。為了解決該問題,您可以通過假隨機方式進一步實施三角調制,從而傳播可聞能量,同時不會對傳導和輻射 EMI 性能造成重大影響。下頁圖 9 在時域和頻域中說明了該調制曲線,這是同步降壓/升壓轉換器 TPS55165-Q1 的一個特性。

 

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圖 9.在每個調制周期結束時,通過假隨機地調制三角波來降低可聞噪聲。

 

EMI 不限于單個頻帶(因此不限于單個 RBW),而是存在于多個頻帶中,這就帶來一個困境,因為擴頻通常只針對單個頻帶進行改善。一種稱為雙隨機擴頻 (DRSS) 的數字擴頻技術為這個問題帶來了新的解決方案。DRSS 的基本原理是疊加兩條調制曲線,每條曲線針對不同的 RBW。有關更多信息,

 

請參閱應用報告《EMI 降低技術,雙隨機擴頻》。 圖 10 顯示了時域中的 DRSS 調制曲線,其中的三角形包絡針對較低的 RBW,而疊加的假隨機序列針對較高的 RBW。

 

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圖 10.DRSS 的時域調制曲線。

 

圖 11 顯示了非同步升壓控制器 LM5156-Q1(采用 DRSS 和不采用 DRSS)的傳導發射性能。您可以看到 150kHz 至 30MHz 頻帶以及 30MHz 至 108MHz 頻帶(這是 CISPR 25 汽車標準的兩個關鍵頻帶)中的頻譜峰值都大大降低了。LM5157-Q1非同步升壓轉換器也采用了 DRSS 并實現了相似的性能。

 

擴頻技術適用于非隔離式和隔離式拓撲,因為兩者的 EMI 源相似,擴頻可提供相同的優勢。具有集成變壓器的 UCC12040 和 UCC12050 隔離式直流/直流轉換器能夠滿足 CISPR 32 B 類 EMI 測試限制要求,部分原因是采用了內部擴頻技術。

 

有源 EMI 濾波

 

為了顯著改善低頻頻譜中的發射,LM25149-Q1 降壓控制器采用了有源 EMI 濾波方法。集成有源 EMI濾波器 通過充當有效的低阻抗分流器,可降低輸入端的 DM 傳導發射。圖 12 顯示了降壓控制器的有源 EMI 濾波器如何連接到輸入線。感應和注入引腳通過各自的電容器連接到輸入端。有源 EMI 濾波器塊中的有源元件會放大感應到的信號,并通過注入電容器注入適當的反極性信號來顯著降低輸入線上的總體干擾。這減輕了所需無源元件的過濾負擔,從而減小了這些元件的尺寸、體積和成本。

 

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圖 12.有源 EMI 濾波器,其中顯示了感應和注入電容器以及用于補償的組件。

 

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圖 11.LM5156-Q1 升壓控制器采用擴頻技術前后的 EMI 性能,其中使用的不是專為降低 EMI 而設計的印刷電路板 (PCB)。

 

圖 13 顯示了在 400kHz 開關頻率下工作的降壓轉換器的 EMI 測量結果,其中比較了有源和無源 EMI 濾波方法。為了有效滿足 CISPR 25 5 類頻譜屏蔽要求,無源 EMI 濾波器需要一個 3.3µH DM 電感器和一個 10µF DM 電容器。有源濾波方法通過一個僅 1µH 的 DM 電感器以及 100nF 的感應和注入電容器,可實現同樣有效的衰減。這有助于將無源濾波器的尺寸和體積分別減小到原始值的 43% 和27% 左右。對于大電流轉換器,可以通過降低電感器直流電阻來進一步降低成本和提高效率。

 

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圖 13.針對 12V 輸入、5V/5A 輸出降壓轉換器使用無源和有源濾波所實現的 EMI 衰減,并比較了這兩種方法中的濾波用無源電感器。

 

消除繞組

 

與非隔離式轉換器不同,跨越隔離邊界的額外發射路徑是導致隔離式轉換器共模 (CM) EMI 的主要原因。下頁圖 14 顯示標準反激式轉換器中的隔離變壓器存在寄生電容。CM 電流可通過與每個開關節點關聯的寄生電容從初級側直接流入大地。CM 電流還由于繞組之間的寄生電容而從初級側流至次級側,從而導致測量的 CM EMI 增大。通常,您可以通過在輸入電源路徑中使用較大的 CM 扼流圈來降低這種額外的干擾。

 

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圖 14.在反激式轉換器中產生寄生效應的 CM EMI。

 

為了幫助更大程度地減小無源濾波器件的尺寸,用于高功率密度 5V 至 20V 交流/直流適配器且采用硅 FET 的 65W 有源鉗位反激式參考設計針對隔離式轉換器采用了消除繞組和屏蔽的方法。如圖 15 所示,一種經改進的內部變壓器結構在內部初級層和次級層之間插入了一個額外的輔助繞組層(以黑色顯示),以實現 CM 平衡。

 

輔助 CM 平衡層屏蔽了內部的半初級層與次級層之間的界面,有助于生成消除 CM 電壓,以消除來自外部半初級層的 CM 注入。通過均衡從輔助繞組和初級外層到次級層的寄生電容,可幫助消除從外部半初級層注入到次級層的 CM 電流(通過從消除層注入反相 CM 電流)。凈效應(流入次級層的 CM 電流幾乎為零)降低了 CM 發射,從而使用超少的 CM 濾波器件即可讓設計滿足 EMI 頻譜標準要求。

 

降低高頻發射的創新技術

 

到目前為止,我們介紹的 EMI 緩解技術通??梢詼p低低頻發射 (《30MHz),同時相應地減少了所需的無源濾波量,以及相關的尺寸、體積和成本?,F在,讓我們來看看旨在緩解高頻發射 (》30MHz) 的技術。

 

HotRod™ 封裝

 

降低高頻發射的主要方法之一是更大程度地減小電源環路電感。TI 提供的 LM53635-Q1、LMS3655-Q1、LM61495-Q1、LMR33630-Q1 和 LM61460-Q1 等降壓轉換器從鍵合線封裝改用基于引線框的倒裝芯片 (HotRod) 封裝,有助于降低電源環路電感,進而降低開關節點振鈴。

 

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圖 15.使用屏蔽和消除繞組來降低反激式轉換器中的 EMI。

 

HotRod 封裝翻轉硅片并將其直接放置在引線框上,從而更大程度地減小由運行開關電流的引腳上的鍵合線引起的寄生電感。圖 16 顯示了 HotRod封裝的結構和優勢。除改善電源環路電感之外,HotRod 式封裝還有助于降低電源路徑中的電阻,從而提高效率并減小解決方案尺寸。

 

采用 HotRod 封裝器件的另一項優勢是,這些器件易于實現并行輸入路徑引腳排列(直流/直流轉換器輸入電容器的布局布置)。通過優化直流/直流轉換器的引腳排列使輸入電容器的布局對稱,輸入電源環路產生的反向磁場就會處于對稱環路中,從而更大程度地降低對附近系統的發射。并行輸入路徑可進一步降低高頻 EMI,尤其是在更嚴格的 FM 頻帶中,如下頁圖 17 所示。

 

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圖 16.標準 QFN,帶接合線,可電氣連接至裸片 (a);HotRod 封裝,引線框和裸片之間帶有銅柱和倒裝芯片互連 (b)

 

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圖 17.并行輸入路徑對 SMPS 中 EMI 的影響。

 

增強型 HotRod™ QFN

 

增強型 HotRod 四方扁平無引線 (QFN) 封裝可提供 HotRod 封裝的所有 EMI 降低功能,并且具有開關節點電容更低的額外優勢,從而更大程度降低了振鈴。與 HotRod 封裝相比,在采用增強型 HotRod QFN 封裝的器件中,輸入電壓 (VIN) 和接地 (GND) 引腳上的寄生電阻器-電感器-電容器 (RLC) 值也更低。

 

LM60440-Q1 降壓轉換器采用了增強型 HotRod QFN 封裝,下頁圖 18 顯示了其引腳排列和電路板布局布線。增強型 HotRod QFN 封裝不僅提高了效率,而且其封裝中心具有一個大型的裸片附接焊盤 (DAP)。與 HotRod 封裝相比,DAP 有助于改善 PCB 散熱,并將結溫的上升降低 15% 以上。此外,VIN、GND 和開關節點引腳上較低的 RLC 寄生效應還可以提高效率并降低 EMI。如預期的那樣,這會產生更低的 EMI,尤其是在開關節點振鈴頻帶附近,如下頁圖 19 所示。

 

集成式輸入旁路電容器

 

如前所述,由于更高的開關節點振鈴,較大的輸入電源環路會導致在高頻頻帶上產生更高的發射。在器件封裝內集成高頻輸入去耦電容器有助于更大程度地降低輸入環路寄生效應,從而降低 EMI。降壓轉換器 LMQ62440-Q1 中采用了該技術,如下頁圖 20 所示。除了減小輸入電源環路電感之外,輸入高頻電容器的封裝集成還有助于使該解決方案不易受終端系統電路板布局布線變化的影響。

 

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圖 18.Enhanced HotRod™ QFN 封裝器件中的引腳排列和 PCB 布局布線。

 

圖 21 比較了 LMQ62440-Q1 在集成和未集成旁路電容器情況下的輻射 EMI(在相同電路板、相同條件下)。結果表明,更嚴格的電視頻帶(200 至 230MHz)中的發射降低了 9dB,這有助于系統保持在行業標準設置的 EMI 限制范圍內,而無需在板上添加額外的組件。

 

有效的壓擺率控制

 

盡管有上述技術,但在某些設計中,高頻 EMI(60MHz 至 250MHz)可能仍會超出指定的標準限制。緩解和提高裕度以滿足行業標準要求的一種方法是,使用一個電阻器與開關轉換器的自舉電容器串聯。使用電阻器可以降低開關邊沿的壓擺率,從而降低 EMI,但也會降低效率。

 

LM61440-Q1 和 LM62440-Q1 等開關轉換器可以在開啟期間使用電阻器來選擇高側 FET 驅動器的強度。如下頁圖 22 所示,通過 RBOOT 引腳(青色虛線環路)消耗的電流成倍增加并通過 CBOOT(紅色虛線)消耗,以開啟高側功率 MOSFET。

 

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圖 19.HotRod 封裝器件與 Enhanced HotRod 封裝器件的 SW 節點 FFT 對比。

 

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圖 20.LMQ62440-Q1 器件中集成的兩個高頻輸入旁路電容器。

 

這樣,該電阻器就可以控制壓擺率,但不會遭受串聯啟動電阻器消耗大部分電流時發生的效率損失。RBOOT 與 CBOOT 發生短路時,上升時間很短;直到高于 150MHz 時,開關節點諧波才會滾降。如果 CBOOT 和 RBOOT 通過 700Ω 的電阻器保持連接,則在將 13.5V 轉換為 5V 時,轉換時間增加到 10ns。該較長的上升時間使開關節點諧波中的能量在大多數情況下都能在 50MHz 附近滾降。

 

EMI 建模功能

 

對任何電路進行建模是早期評估設計性能的重要方法,因此在縮短設計周期中起著至關重要的作用。EMI 建模是一個復雜的過程,涉及 PCB 的時域電路分析和頻域電磁仿真。對 EMI 發射進行建??梢詼p少設計迭代次數,從而能夠更輕松、更快速地滿足 EMI 標準限制要求。

 

讓我們來看看您在進行 EMI 建模時可以使用的一些選項。

 

采用 WEBENCH® 設計工具的低頻 EMI 設 計

 

WEBENCH 輸入濾波器設計工具可幫助您自動設計合適的輸入濾波器,以緩解低頻 (《30MHz) 傳導EMI 噪聲,從而滿足 CISPR 32 和 CISPR 25 等合規性標準的要求。該工具可優化濾波器尺寸,同時確保設計符合特定標準的要求。在設計濾波器時,該工具可確保濾波器穩定性和轉換器環路穩定性。該在線工具支持 100 種以上的 TI 電源器件。

 

不對輸入 EMI 濾波器電感器進行抑制是一種常見的錯誤,這會對總體設計穩定性產生負面影響。WEBENCH 設計工具 對輸入濾波器和 SMPS 進行阻抗分析(如下頁圖 23 所示),并推薦合適的抑制組件以確保穩定性。

 

數據表中發布的傳導和輻射 EMI 結果

 

SMPS 器件評估模塊已針對更嚴格的工業和汽車 EMI 標準進行了測試,其結果發布在數據表中,以幫助您提前了解器件的 EMI 性能。您可以通過單擊器件數據表第一頁中的“針對超低 EMI 要求進行了優化”來訪問詳細的 EMI 報告。LM62440-Q1 數據表中的 EMI 報告包含適用于 CISPR 25 5 類傳導和輻射設置的完整數據

 

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圖 21.未集成和集成旁路電容器時 LMQ62440-Q1 器件的輻射 EMI 性能。

 

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圖 22. LM62440 中的有效壓擺率控制實現 (a);采用有效壓擺率控制的開關節點振鈴降低 (b)

 

可縮短設計時間和提高成本效益優化”來訪問詳細的 EMI 報告。LM62440-Q1 數據表中的 EMI 報告包含適用于 CISPR 25 5 類傳導和輻射設置的完整數據。

 

此外,TI 還可以在內部執行系統級 EMI 建模和測量,以幫助您驗證 EMI 性能并縮短周期。

 

結束語

 

電子產品的快速發展為電源轉換器的設計帶來了巨大的壓力,復雜的系統需要裝入電源轉換器越來越小的空間。各個敏感系統彼此靠近,難以抑制 EMI。在設計電源轉換器必須格外小心,以符合標準機構規定的限制,從而確保關鍵系統可以在充滿噪聲的環境中安全運行。

 

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圖 23.WEBENCH® 設計工具中的輸入 EMI 建議和阻抗分析。

 

低 EMI 設計可以顯著縮短開發周期,同時還可以減小電路板面積并降低解決方案成本。TI 提供了多種用于緩解 EMI 的功能和技術,例如擴頻、有源 EMI 濾波、消除繞組、封裝創新、集成輸入旁路電容器和有效的壓擺率控制等方法。

 

將技術與 TI 的 EMI 優化型電源管理器件相結合,可確保采用 TI 組件的設計能夠符合行業標準要求,且無需大量返工。利用 TI 產品,您能夠保持在終端設備 EMI 限制范圍之內,而不會降低功率密度或效率。

 

 

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