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電源的開關(guān)交流電流，電流從零切換至峰值，然后再回到零，因此它有最高的交流電流和EMI能量。此外，在電路工作時(shí)，開關(guān)瞬變通過寄生電阻、電感和電容的耦合作用產(chǎn)生高頻諧波。過以上分析，我們了解了EMI產(chǎn)生的原因，那怎么才能降低或預(yù)防EMI呢？
從電源電路設(shè)計(jì)上看，我們可以通過以下方式來降低EMI，包括：盡量減少PCB上熱回路的面積，并降低電容和電感自身及PCB走線引入的寄生阻抗（這種方式對(duì)布局和器件參數(shù)有要求，而且改善EMI的效果比較有限）；通過減慢內(nèi)部開關(guān)驅(qū)動(dòng)器或外部添加緩沖器，降低MOSFET的開關(guān)速度（這種方式會(huì)增加開關(guān)損耗，降低轉(zhuǎn)換器的效率）；采用展頻(SSFM)技術(shù)，使EMI能量被打散分布在電路的整個(gè)頻域內(nèi)（但這樣會(huì)在已知范圍內(nèi)引起系統(tǒng)時(shí)鐘抖動(dòng)）；也可采用添加濾波器或屏蔽的辦法來降低EMI（但這需要更多的外部元件和電路板面積）。
最好的辦法就是不需要辦法——電源主電路方案本身充分考慮了EMI問題，在不影響電源性能和增加外部元器件的前提下來有效地減少EMI。這就是ADI的專利技術(shù)?--?Silent?Switcher相關(guān)系列電源方案的設(shè)計(jì)初衷。
如何從根源解決EMI問題
針對(duì)部分電磁敏感的設(shè)備或系統(tǒng)來說，通常會(huì)采用 LDO 而不是開關(guān)電源，從而限制 EMI，但是這又會(huì)導(dǎo)致效率下降等不利影響。有沒有可以顯著解決 EMI 問題，并且無需太多額外設(shè)計(jì)開銷，同時(shí)又可以采用高效率開關(guān)電源的解決方案呢？
“解決 EMI 相關(guān)問題的關(guān)鍵是從源頭入手。”?Ramadass 說道。
EMI 給工程師的設(shè)計(jì)帶來了巨大挑戰(zhàn)，但電路板布局限制以及額外設(shè)計(jì)的屏蔽等因素并不意味著工程師沒有其他選擇，而實(shí)際上通過選擇具有 EMI 緩解技術(shù)的芯片，可以從源頭改善 EMI。這也和媒體近期在訪談工程師提到的，他們最常用的降低 EMI 的手段是選擇低 EMI 器件，不謀而合。
ADI的Silent?Switcher技術(shù)采用兩個(gè)對(duì)稱分布的輸入熱回路，這兩個(gè)回路產(chǎn)生磁場(chǎng)方向是相反的，能量相互抵消，從而電氣回路對(duì)外沒有凈磁場(chǎng)（如下圖）。因此，Silent?Switcher技術(shù)無需降低MOSFET的開關(guān)速度，解決了EMI和效率之間的權(quán)衡問題。
Silent?Switcher拓?fù)洌ㄓ覉D）
Silent?Switcher電磁感應(yīng)示意圖
此外，Silent?Switcher技術(shù)采用創(chuàng)新的銅柱倒裝封裝工藝，這種工藝可以大大降低芯片管腳的寄生阻抗，在降低EMI的同時(shí)，可以提升轉(zhuǎn)換器的效率。
銅柱倒裝封裝（右圖）與傳統(tǒng)封裝的對(duì)比
目前，ADI的Silent?Switcher技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第2代，第1代技術(shù)Silent?Switcher?1(如LT8614)需要在芯片兩側(cè)的VIN?和GND之間分別放置一個(gè)輸入電容，并且要求兩側(cè)電容與對(duì)應(yīng)的VIN和GND管腳圍成的環(huán)路盡量小且對(duì)稱，對(duì)電路布局布線和電容的一致性有一定要求。
Silent?Switcher?1的對(duì)電路布局仍有一定要求
Silent?Switcher?第二代產(chǎn)品將兩個(gè)輸入熱回路中需要對(duì)稱放置的電容集成在芯片的內(nèi)部，降低了Silent?Switcher對(duì)電源電路布局的敏感性，減少了外部元件，同時(shí)可縮小熱回路的面積，降低EMI。
Silent?Switcher?2內(nèi)部集成了熱回路電容，設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單
另外，ADI也推出了采用Silent?Switcher技術(shù)的μModule穩(wěn)壓器微型模塊化電源系列，內(nèi)部集成MOS和功率電感，如LTM4700、LTM8071、LTM8024、LTM8078等，為用戶提供了簡(jiǎn)單可靠、高性能和高電源密度的解決方案。
在不增加開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的前提下，大大降低開關(guān)節(jié)點(diǎn)信號(hào)上升沿的振鈴，從而降低EMI.?下下圖是采用Silent?Switcher技術(shù)的LT8614和傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器LT8610在同等條件下的波形對(duì)比。采用Silent?Switcher?2技術(shù)可以做到更快的導(dǎo)通時(shí)間和更低的振鈴。
下圖是LT8610和LT8614在相同條件下進(jìn)行EMC測(cè)試的對(duì)比，可以看到，相對(duì)EMC表現(xiàn)不錯(cuò)的LT8610，LT8614的EMI更低，多出大約20dB的裕量。
LT8614與LT8610?EMC測(cè)試結(jié)果對(duì)比
采用Silent?Switcher?2的轉(zhuǎn)換器EMI水平更低，在2層PCB上也可以通過嚴(yán)格的CISPR?25?Class?5測(cè)試。可選的擴(kuò)展頻譜調(diào)制功能，可以進(jìn)一步降低EMI。例如LT8640S同步降壓穩(wěn)壓器就采用了第二代超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器架構(gòu)，最大程度地降低了EMI輻射，其中包含集成旁路電容以優(yōu)化內(nèi)部所有快速電流環(huán)，并通過降低布局敏感性輕松實(shí)現(xiàn)宣傳的EMI性能。因此LT8640S非常適合噪聲敏感應(yīng)用和環(huán)境。
LT8640S應(yīng)用電路外圍電路設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單
二、集成有源濾波器和雙隨機(jī)擴(kuò)頻技術(shù)
TI 提供多種功能和技術(shù)來降低所有相關(guān)頻段的 EMI，其創(chuàng)新的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：
TI 在 2021 年新推出的 LM25149-Q1，是 TI 首款集成有源濾波器的芯片。相比外置有源濾波器，整體面積可縮小 50% 以上。與標(biāo)準(zhǔn)無源濾波器相比，有源濾波器可以提供更高水平的 EMI 衰減和更小尺寸的 π 濾波器。有源濾波器具有增益高、帶寬寬、輸出阻抗低、可以產(chǎn)生和吸收電流，檢測(cè)直流總線上的任何擾動(dòng)，并注入與噪聲源相反的信號(hào)從而抵消干擾。LM25149-Q1 可在負(fù)載電流 >40% 的時(shí)候自動(dòng)啟動(dòng)有源電磁干擾濾波器，負(fù)載電流 <30% 時(shí)候則會(huì)自動(dòng)禁用有源濾波器。
另外，LM25149-Q1 使用了雙隨機(jī)擴(kuò)頻技術(shù)，將低頻的三角調(diào)制與高頻的偽隨機(jī)調(diào)制相結(jié)合，分別提高了低頻段和高頻段的 EMI 性能。該產(chǎn)品除了在 EMI 上具有顯著優(yōu)勢(shì)之外，在調(diào)整率、效率、溫升及紋波等性能指標(biāo)上都有著出色表現(xiàn)。
除此之外，包括 LMQ61460 集成了旁路電容器，TPS25850-Q1 利用了擴(kuò)頻頻率抖動(dòng)技術(shù)，LM5157-Q1 則提供了包括 DRSS、外部時(shí)鐘同步以及 2.2MHz 開關(guān)功能等，UCC12050 集成了專用的變壓器等等，TI 針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，不同的 EMI 現(xiàn)場(chǎng)，提供各類組合，使工程師可以更有針對(duì)性的進(jìn)行 EMI 的改善。
