降低噪音：限制电磁干扰
发布时间：2020-2-27 11:47
发布者：eechina
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当我十几岁的时候，我的第一份工作就是攒够钱然后买一个音响，从那天起我的父母似乎每天都在说：“把声音关小点儿！” 对，我的确制造了相当大的噪声。现在作为一名技术专家，我每天所关注的已不再是可以听到的声音，而是要想方设法防止各种电子系统和设计产生虚假电磁干扰（EMI）。 电磁干扰 EMI是一种有害的电磁信号，它从外部渗透到电子电路中，电磁感应、静电耦合或传导是产生电磁干扰的原因。本文的重点是如何正确设计电子解决方案来帮助工程师“降低噪音”，限制汽车和工业应用中的电磁干扰，让这类干扰不再是问题。 汽车领域 在汽车创新领域正经历着控制EMI干扰的巨大需求，随着交通运输方式的转型，汽车市场预计将在未来15年翻一番。这种转变的一部分将是电子工业及其提供前所未有的新服务能力的副产品。这些创新将依赖于塑造未来的四项关键技术——ACES，即： Automation：自动化 Connectivity：互连 Electric：电子 Shared：共享 标准：CISPR 汽车工业通常遵循的是国际无线电干扰特别委员会（CISPR）的标准，CISPR 25条款中第5类测试标准是汽车标准。随着混合动力汽车和纯电动汽车的发展，系统、标准和选配功能以及配件等形式的汽车应用电子产品将迅速且持续的发展，进而推动汽车市场的壮大。 电磁干扰的根源 系统的内部和外部都会产生电磁干扰，由于车内电子解决方案包含的组件数目不断增加，而且它们必须作为一个有机整体运行，而不对其他系统产生过多的电磁干扰，因此尽量减少个别组件或整体产生的电磁干扰是至关重要的。车辆内部和外部电磁发射源包括：气囊、蓝牙技术设备、控制器网络总线（CAN）、防撞系统（比如光探测器和距离感应器激光/雷达）、巡航系统、直流电机、电子刹车系统、电子控制单元（ECU）、燃料控制系统、游戏系统、车库门控制器、全球定位系统（GPS）、点火系统、车载安全系统、信息娱乐系统、动力转向、无线电（AM/FM/卫星）、遥控门控制系统、轮胎压力监测系统等。 电磁干扰的问题 现代汽车利用的开关电源会产生电磁干扰，使得周围的系统暴露在这种不必要的干扰环境之下。汽车内部开关电源的数量也在不断的增加，加上物理尺寸的缩小，空间更加的紧凑，对于高效运转、高温运行以及寿命更长等需要，所有这些都要求电子产品能够在这些苛刻的环境下正常工作。 随着自动驾驶汽车开始进入市场，EMI问题将变得越来越重要，因为人类驾驶员已经将控制权、路线和安全等都交给了车辆，而车辆及乘客的安全将取决于操作系统。 减少电磁干扰 美国科学家本杰明・富兰克林（1705-1795）曾说过一句谚语：“一克（盎司）的预防胜过一公斤(磅)的治疗。”，这句谚语传达了这样一个事实：电子工程师应该在所有组件都整合在一起之前就考虑电磁干扰问题，因为如果工程师不在开发前期投入适当的精力，那么就要在开发后期投入更多的精力和成本。 电子工程师通常采用三种主要的方式来降低电磁干扰：第一种方法是要确保电子元件或系统有一定的电磁屏蔽措施，适当的电磁屏蔽包括在设计中加入导电或磁性材料，作为屏蔽杂散辐射的屏障，法拉第屏蔽是一种常见的方法；其次，工程师可以利用电子过滤，过滤器的作用是阻止不必要的频率，同时让所需要的频率在几乎没有影响的情况下通过；最后一种方法是建立适当的接地，接地为电流进入地面提供了一个通道，这是一个低电动势（电压）点，这样有助于减少不必要电荷的过度积累。 下面让我们来看看两个完全不同的电子组件如何协同工作，从而降低噪音并限制汽车系统中的电磁干扰。 解决方案：电源管理IC 为了降低电磁干扰，ADI发明了专利静音开关技术，使其在高频、高功率的情况下具有非常棒的屏蔽电磁干扰的性能。静音开关技术将单个大型开关回路分割成两个较小的开关回路，它的原理是相互抵消磁场，就像法拉第屏蔽一样。 Silent Switcher® 2架构通过在集成电路（IC）内部将外部的电压循环电容作为内部的旁路电容来简化电路板的设计与制造，这样可以大大降低辐射的电磁干扰。将电容内部化可以通过最小化噪声天线来降低电磁干扰。静音开关的组件也是单片稳压器，通过集成的MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）实现高度的集成，所有这些方法都提升了效率，特别是在更高的开关频率下使用时。 Silent Switcher® 2的超低电磁干扰消除了PCB（印刷电路板）布局的敏感性，而降低解决方案成本的一个方法是最小化所需的PCB层数，尽管这将对性能产生一定的影响。例如工程师不期望2层电路板产生和4层电路板一样的电磁干扰，一般情况下采用Silent Switcher® 2技术的2层电路板甚至单层电路板设计，都具有良好的屏蔽电磁干扰性能，这样可以大大降低制造成本。 此外静音开关提供可选的扩频调制，这也有助于降低电磁干扰，静音开关和Silent Switcher® 2技术完全满足汽车系统对屏蔽电磁干扰的要求。 SoC器件电源设计 SoC器件在当今的汽车系统应用中随处可见，例如信息娱乐系统、摄像机、防撞系统、安全和预警设备以及传感器需要处理的信息越来越多。处理过程必须在高效且独立运行的系统中进行，不需要额外的功率驱动，但它要求高效率。由于SoC器件处理的任务越来越多而且要消耗更大的功率，这可能使得电磁干扰管理变得困难。 新型的高科技汽车系统可能集成了很多不同类型的ARM架构处理器核心、数字信号处理器（DSP）、视频和图形处理器以及辅助支持器件。这些组件都需要可靠的电源驱动，需要的电压包括：5v、3.3v、1.8v、1.2v、1.1v和0.8v。 为了满足目前SoC器件的需求，传统的开关电源控制器采用的是MOSFET器件，单片机之所以引人注意是因为其内部的MOSFET可以将成本和解决方案尺寸降至最低，但是其电流和散热能力通常会限制其使用范围。LT8650S是一款全新的单片降压静音开关稳压器，具备支持当前SoC应用性能和热管理的能力。 LT8650S器件 我们来看一下ADI公司最近推出的LT8650S器件：双通道4A 42V同步降压静音电源开关（静态电流6.2μA）（见图1），它适用于通用降压应用以及汽车和工业领域的产品。LT8650S双通道同步静音稳压器为SoC应用提供了更大的输入电压范围、更优的电磁屏蔽性能以及更小的尺寸，同时提供多个高电流输入，并具备快速瞬态响应能力。 
图1：ADI公司最新推出的LT8650S双通道4A 42V同步降压静音电源开关（静态电流6.2μA）（来源：ADI） 它设计有两个通道，每个通道同时提供4A和最大6A的电流输入，并具有超低的静态电流突发模式，当输入电压VIN=12v，输出电压VOUT1=5v，VOUT2=3.3v时其静态电流仅6.2μA，纹波小于10mVP-P。此器件可以在低输出电流的情况下提升效率（输入12VIN、2MHZ，输出2A、5VOUT的情况下效率是94.6%；输入12VIN、2MHZ，输出4A、5VOUT的情况下效率是93.3%）。在强制连续模式下允许固定频率的开关操作控制整个输出负载范围和扩频操作，可进一步减少电磁干扰。LT8650S可选的外部VC管脚为快速瞬态响应提供了最佳的环路补偿，VC管脚还可以实现电流共享。LT8650S触发一个快速的最小开关时间为40ns，其输入电压范围为3-42V，可调的同步开关频率是300KHz到3MHz，器件大小4x6mm，32个管脚，采用LQFN封装。 汽车SoC对电源的负载瞬态响应提出了更高的要求，外围电源负载电流转换速率在100A/μs，无论负载如何变化，电源必须使输出的电压瞬态值最小，快速切换频率如LT8650S系列的2MHz特性，有助于加快瞬态恢复。更快的开关频率对应更快的动态响应和适当的环路补偿。 功率电感支持低EMI的解决方案 Coilcraft公司提供三种流行风格的高性能功率电感器，分为XEL、XAL和XFL系列，这些都属于Ltral产品系列。XEL和XAL系列采用的都是创新型复合材料，功率电感器具备非常平缓的电流波动特性。XFL系列也具有平缓的变化特性，它的材料更类似于传统的铁氧化材料，比XAL和XEL系列变化速率更大一些。XFL系列具有最低的直流电阻，核心损耗最小。相比XAL系列，新的XEL系列具有更低的交流损耗，而XFL系列的总功率损耗最低（图2）。对于设计用于承受高峰值电流的高频电源开关而言，XEL系列无疑是最好的选择。 
图2：这些表格数据展示它们重要的区别，包括XAL、XEL和XFL系列之间电感和电流的关系，以及功率损失和纹波电流之间的关系（来源：Coilcraft） ADI的LT8650S演示板卡（DC2407A）选择使用Coilcraft公司提供的功率电感器进行设计，固定电感器ADI选择的是符合AEC-Q200的1μH XFL5030-102ME，属于Coilcraft XAL/XFL功率电感器系列，该系列具有体积小、频率高、效率高等特性，被新一代静音开关器件所选用，当然这是ADI工程师评估各方面因素做出的最好决定。 电感技术有效的降低电磁干扰 Coilcraft XAL/XFL功率电感器采用Coilcraft Ltra技术生产，Ltra技术是使用磁性材料（例如铁粉（Fe））生产电感器的独特方式，通过模制工艺形成坚固的电感器。该技术有效地消除了绕组之间的任何空间浪费，从而在相同尺寸的部件中产生更高的饱和电流和更低的DC电阻。 市场的趋势是设计DC/DC转换器，并且不断提升切换频率，目标是降低所需的电感值，减少电感的尺寸和成本。除了这个目标还需要不断提高组件的效率。随着开关频率的增加，频率相关的损失和核心损耗（交流损耗）变得越来越重要，需要让设计在高开关频率下正常工作，这就提出了更多的要求。Ltra技术的复合材料核心是在2MHz的开关频率下具备更佳的效率。 Ltra产品采用大型端子设计，具有最佳的焊接管脚和热管理。大型端子也可以在没有热点的情况下传输更高的电流，保持较好的散热，从而提高器件的长期可靠性。这些元件的紧凑尺寸设计让它们在PCB上更好的布局，降低了整体解决方案的尺寸。 Ltra技术旨在为市场提供非常强劲的零部件，其坚固的形状、强大的机械和振动应对能力使它们能够适合恶劣的环境，如汽车、工业和便携式电子应用等，Ltra具有优越的温度稳定性，在-40℃到+125℃的温度范围内饱和曲线的变化小于3%，并且符合AEC-Q200标准。 一些电感核心材料表现出一种称为热老化的负特性，当电感发生热老化时，随着时间和温度的增加，效率会降低，进而导致发热量增加，这样会进入恶性循环。电感器和电路的过热可能超过额定温度范围，有时会造成灾难性的后果，Coilcraft Ltra材料体现了消除热老化问题的重要特性。 Ltra技术也有效的降低了电磁干扰，整个线圈采用磁性材料将有害的电磁干扰信号降低到最少，线圈通量由线圈本身决定，允许更加紧凑的线圈设计方式，线圈间电流屏蔽效果也更好。 Coilcraft公司推出的功率电感器系列包括丰富的可选组件，这使得工程师能够根据自己的具体设计选择不同型号的电感器，不同尺寸和不同功率级别的器件所具备的参数都经过了优化，每种型号都具有独特的性能优势。 这些功率电感器具有更低的DCR特性，DCR表示的是电感器的电阻值，是由电感器线圈材料的电阻值决定的。 这些功率电感器具有足够的饱和电流（ISAT），由于散热速率的原因，ADI公司通常不会将每个通道的电流限制设计到最大，对于这种器件，每个通道的电流限制为4A，两个通道可同时正常工作，当只有一个通道启用时每个通道的限制电流可达到6A。 总结 今天的汽车和工业市场需要提供高效率、高频率和低电磁干扰的电子解决方案。文中提供了一个具体的解决方案示例，展示了ADI的Silent Switcher® 2稳压器和Coilcraft的功率电感器是如何协同工作，为用户提供低电磁干扰解决方案。你现在可能唯一需要担心的汽车噪音可能是来自后座上孩子们尖叫式的催促声：“我们到了吗？” 文章来源：贸泽电子 作者简介：Stephen Evanczuk在电子行业有20多年的写作经验，涉及广泛的主题，包括硬件、软件、系统和物联网等应用。他获得了神经网络神经科学博士学位，并在航空航天行业从事大规模分布式安全系统和算法加速方法的研究。目前，他在写技术和工程方面的文章的闲暇之时，还在研究深度学习在识别和推荐系统中的应用。 |
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