异步DC-DC升压转换器（包含续流二极管）还能实现低辐射吗？

摘要
本文试图展示带分立式续流二极管的异步转换器如何实现低辐射。它将介绍不同类型的转换器、布局和包装，以及为什么控制开关非常有效，并细介绍CISPR 25 在5类辐射试验中，低EMI通过测试结果进行评估。

简介
同步Silent Switcher?转换器功能强大，结构紧凑，安静DC-DC黄金标准了黄金标准。在过去5年多的时间里，我们了解到了大量这些低EMI同步降压升压转换器。这些DC-DC在高功率、噪声敏感的环境中，转换器简化了系统级EMC设计，如冷启动预升压，驱动大电流LED串和高压功率放大器声音系统。与基于控制器的设计相比，单芯片（集成电源开关）升压稳压器通常用于5 V、12 V和24 V源电压。

硅芯片1中集成同步开关及其独特布局Silent Switcher转换器秘密的一部分。板载(集成)开关可以形成非常小的热回路，帮助尽可能减少辐射。但这可能会导致成本增加，并非所有应用程序都需要同步开关。如果只将单个电源开关集成到硅芯片中，并且可以依靠外部低成本分立续流二极管作为第二开关，则开关转换器的成本将降低。这种做法在低成本转换器中很常见，但如果低辐射很重要，还能吗？

带分立式续流二极管的异步转换器仍能实现低辐射。如果在设计中特别注意热回路的布局dV/dt如果开关边缘速率较低，则有可能使用异步转换器EMI开关应用。在展频(SSFM)需要采取额外的措施来减少辐射。例如，单芯片开关稳压器LT3950 60 V、1.5 A异步LED驱动器和LT8334 40 V、5 A异步升压转换器，每个设备都集成了单个低端电源开关，但它们依赖于外部连续二极管，仍然可以实现低辐射！它的工作原理是什么？

图1.(A) 异步单芯片升压转换器具有单个热回路，其中包个外部连续流二极管。
(b) Silent Switcher转换器有两个(相反)热回路和全集成开关。

续流二极管与死区时间的关系
将一个而不是两个电源开关集成到单芯片转换器中，可以将芯片尺寸降低30%到40%。降低芯片尺寸可以直接节省硅芯片的成本。当硅芯片集成到较小的包装中时，可以进一步降低二次成本。虽然有些PCB外部立式续流二极管仍然需要空间，但这些二极管数量多，可靠，价格便宜。在升压转换器中，它低压VF肖特基二极管在高输出电压和低空比下效率高，可以说性能优于昂贵的高压功率FET。

原因之一可能是死区时间。在典型的同步转换器中，电源开关体二极管在预设的死区时间内导通，以防止潜在的击穿。如果同步开关在主开关完全关闭前打开，则会发生击穿，导致输入或输出(降压或升压)直接对地短路。死区时间控制将成为开关设计中的一个限制因素，在高开关频率、最小和最大空间比的限制下。使用低正向电压的低成本续流二极管后，无需在开关中提供死区时间逻辑——非常简单。在大多数情况下，它们也优于固有体二极管的正电压降(在死区时间导电)。

布局和包装简单
首先，我们可以从简单的单芯片升压转换器开始显示基本布局。图2中的LT3950 60 V、1.5 ALED驱动器很简单PCB热回路。该热回路仅包括小型陶瓷输出电容和尺寸相似的分立式续流二极管PMEG6010CEH。这些组件与LT3950 16引脚MSE以及散热盘的开关引脚和包装GND面部紧密贴合。这足以实现低辐射吗？当然，这只是公式的一部分。线焊16引脚MSE封装与紧密的热回路相结合SSFM并且控制良好的开关行为(开关电源过渡不会因为速度很高和寄生电感而振铃)，可以实现低辐射。

图2.LT3950 (DC2788A)包括异步热回路D1.续流二极管。(那么我们在哪里可以找到二极管这么重要的电子元件呢？呵呵呵，在瑞单商城找元器件现货^-^）
尽管如此，续流二极管和输出电容仍与LT3950 16引脚MSE封装紧密贴合。
突出显示的异步开关节点小而紧凑，但并非不可能。开关节点的布局可能是实现低辐射。

图3.LT3950 LED驱动器是异步单芯片1.5 A、60 V升压转换器。
升压转换器热回路(黄色突出显示)包含分立式续流二极管，不会减弱高频辐射。

接下来，可以使用异步转换器的单个开关来形成SEPIC拓扑(升压降压)扩大其实用性，不仅限于预期的升压用途。由于是单开关，很容易断开升压转换器的热回路并增加SEPIC如图4和图5所示，耦合电容。大多数同步升压转换器的顶部和底部开关永久连接到单个开关节点，因此不能转换为SEPIC。若能更加注意耦合电容、续流二极管和输出电容形成的电路，则SEPIC热回路可以保持较小。

图4.LT8334 40 V、5 A异步单片升压IC被用于SEPIC应用中。
SEPIC转换器热回路(黄色突出显示)包含分立式续流二极管和耦合电容，不会减弱辐射。

图5.LT8334单芯片40 V、5 A异步开关集成到微型4 mm × 3 mm 12引脚散热增强型DFN封装中。
LT8334 SEPIC (EVAL-LT8334-AZ)热回路布局包括这个微型DFN、
陶瓷耦合电容器、陶瓷输出电容器和小型续流二极管。

LT8334异步升压转换器包含集成5 A、40 V开关。单芯片升压转换器IC适合用于构建12 V输出SEPIC转换器。图4显示标准型12 V、2 A SEPIC转换器包含耦合电容C两个电感线圈与耦合电感。由于微型PMEG4030ER续流二极管D1不直接附加在开关节点上，所以很容易将4添加到开关节点上.7 μF 二极管与开关节点之间放置0805陶瓷隔直耦合电容。在EVAL-LT8334-AZ SEPIC热回路布局在评估板上保持较小。开关节点的铜面积尽可能小，并尽可能靠近开关引脚，有助于尽可能减少电磁辐射骚扰。请注意，整个热回路布置在一层，开关节点或耦合电容器另一侧的耦合开关节点没有通孔。这些开关节点应尽可能小，并尽可能接近，以达到良好的效果。LT8334的12引脚DFN包装有助于尽可能小地保持热回路和辐射。

控制开关非常有效

单芯片(包括开关)开关转换器SSFM、2 MHz基波开关频率，优秀PCB当布局和控制良好的开关组合使用时，有助于减少辐射。如果它们足够有效，那么可能无需利用Silent Switcher低辐射结构的巨大优势（Silent Switcher结构是超低辐射金标准，但如果只是为了通过辐射标准，在所有情况下都不需要)。在LT3950和LT8334中，SSFM在基波频率的基础上向上扩展约20%，然后以三角形模式返回。SSFM是低EMI开关稳压器的一个共同特点。SSFM但每种类型的总体目标是分散辐射能量，并将峰值辐射和平均辐射降低到要求的限值以下。2 MHz开关频率的目标之一是将基波开关频率设置为高于AM射频频段（530 kHz至1.8 MHz）限制基波本身及其所有谐波产生的辐射不会干扰射频。不需要考虑AM在频段中，可以放心使用较低的开关频率。

内部开关和驱动器不受开关频率的影响，设计时应小心，以避免一些不必要的行为，否则开关转换器可能会减少EMI性能。超快振铃开关的波形可能是100 MHz至400 MHz在电磁辐射骚扰测量中，范围内产生多余的辐射将非常明显。IC控制良好的开关不应像辐射锤，而应像抑制开关边缘的有效橡胶锤。受控电源开关可以稍低于可能值的速度提高和降低电压和电流。图6关于单芯片转换器中的控制开关b中的2 V/ns开关速率和缺少振铃就是一个很好的例子。您可以看到，内部开关非常柔和地打开并达到0 V，后续不会有刺耳的振铃。这对LT3950的辐射结果做出了巨大贡献(见下图9至图11)。通常，在单芯片开关稳压器中，开关速度导致最大功率上升，散热性能下降。但是，如果能精心设计，可以事半功倍。

(a) (b)
图6.LT3950受控开关的上升摆率为2 V/ns，下降摆率为2 V/ns，

有助于在LED保持高效率和低效率EMI，开关节点振铃几乎不会产生。

异步升压控制器由带栅极速控制

在某些情况下，需要大功率DC-DC转换，需要在IC外部使用控制器和高压高电流开关。在这种情况下，外部开关的栅极驱动器仍然位于IC但整个开关热回路将移动到内部IC外部。有可能实现一些创造性的热回路和布局，但由于分立式MOSFET热回路本身的大小一般会变大。

LT提供24357大功率(异步)升压控制器 V、2 A (48 W)，而且辐射很低。以低开关频率为3.5 mm × 3.5 mm MOSFET供电，实现高效转换。除了紧密的热回路(图7)外，它还控制边缘速率，栅极控制引脚来控制边缘速率和减少辐射。使用简单的5.1 Ω电阻RP（在GATEP上)足以减少M1功率MOSFET将电磁辐射骚扰保持在尽可能低的水平。当然，一些辐射滤波器和SSFM也有助于减少辐射。EVAL-LT8357-AZ评估板还留出了额外的辐射屏蔽位置，但大多数应用程序可能没有必要。这种异步升压控制器与其单片式版本非常相似，功率高，功率低EMI升压和SEPIC应用所需的所有功能。

图7.LT8357高压升压控制器具有分立式门引脚，

高功率分立式单独控制MOSFET开关边缘的上升边缘和下降边缘。分立式栅极引脚由黄色方框圈出。

图8.图7中的LT8357升压控制器具有出色的辐射和效率性能，RP = 5.1 Ω，RN = 0 Ω。

单独的门驱动引脚允许受控开关开启，同时提供快速关断。

在示意图中，颜色分别表示：红色RP = 0，RN = 5.1；黄色RP = 0，RN = 0；

绿色RP = 5.1，RN = 0；蓝色RP = 5.1，RN = 5.1。

通过CISPR 25 5类辐射标准

对低EMI评估电路（例如LT3950 DC2788A）进行了大量测试，以评估其电磁辐射和传导辐射。图9至图11显示成功的辐射测试结果，在测试时，SSFM开启，采用12 V输入，330 mA电流流经25 V LED串。电流探针和电压方法CE的结果都通过了非常严格的限值标准。在开关中，很容易出现FM频段CE挑战，但LT3950不受FM频段影响。

图9.DC2788A LT3950通过了(a)平均和(b)峰值CISPR 25 5类传导辐射测试（电流探针方法）。

图10.DC2788A LT3950通过了(a)平均和(b)峰值CISPR 25 5类传导辐射测试（电压方法）。

图11.DC2788A LT3950通过了(a)平均和(b)峰值CISPR 25 5类电磁辐射测试。

将开关频率设置为2 MHz（300 kHz至2 MHz可调范围），这样，基波开关辐射可以保持高于AM射频频段（530 kHz至1.8 MHz），不会导致问题，且无需在前端上加装笨重的LC AM频段滤波器。取而代之，LT3950使用的EMI滤波器可以是小巧的高频率铁氧体磁珠。

虽然热回路中有额外的耦合电容，耦合电感中有额外的端口（使开关节点的数量翻倍），LT8334 SEPIC还是能保持低辐射。EVAL-LT8334-AZ SEPIC 12 VOUT评估套件也使用2 MHz和SSFM，能提供低辐射。EVAL-LT8357-AZ升压控制器可以实现相似的性能。有关这些器件的完整辐射结果、原理图和测试选项，可以访问analog.com，查看对应的产品登录页面。表1列出了一个新的低EMI异步升压和SEPIC转换器系列。单芯片IC和控制器IC结构简单、成本低，采用多种拓扑，具有大功率功能和低辐射，因此非常实用。当超低辐射成为首要的要求时，也可以使用高电流Silent Switcher升压转换器。

表1.新型低EMI单芯片升压转换器，带开关边缘速率控制

结论

同步Silent Switcher和异步单芯片开关稳压器都可以用于低辐射应用。与超高性能的Silent Switcher转换器相比，异步升压转换器的成本更低。第二个开关被低成本续流二极管替代，后者在高压下具有一定优势，能够灵活地重新配置为SEPIC。当功率开关边缘速率受到良好控制，且提供有限的振铃时，小型塑料封装和PCB中经过精心设计的小型热开关回路区域都提供低辐射。这些特性应与其他低EMI特性（例如SSFM和EMI滤波器）结合。即使在高功率升压控制器中，栅极驱动控制也有助于降低和平缓开关边缘，以实现低辐射。请特别注意热回路的最佳顶层布局，并明智地选择您的DC-DC转换器，以实现低辐射设计。ADI公司推出的低EMI升压转换器系列可能刚好能够满足您的需求。

参考资料
1 Steve Knoth，“小尺寸高功率密度。”模拟对话，第53卷第4期，2019年10月。

作者简介

Keith Szolusha是ADI公司应用总监，工作地点位于美国加利福尼亚州圣克拉拉。自2000年起，Keith任职于BBI Power Products Group，重点关注升压、降压-升压和LED驱动器产品，同时还管理电源产品部的EMI室。他毕业于马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院(MIT)，1997年获电气工程学士学位，1998年获电气工程硕士学位，专攻技术写作。

Kevin Thai是ADI公司应用工程师，工作地点位于美国加利福尼亚州圣克拉拉。他任职于CTL Power Products Group，负责监管单芯片升压产品系列，以及其他升压、降压-升压和LED驱动器产品。他于2017年获得加州理工大学电气工程学士学位，于2018年获得加州大学洛杉矶分校的电气工程硕士学位。