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[分享] 第三节 LMR33630-Q1:一级电源的绝佳选择

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纯净的硅(初级)

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发表于 2020-2-18 10:27 | 显示全部楼层 |阅读模式

在前两节,我们讨论了T-BOX目前较为流行的接口:PHY 和CAN。后面的环节我会对电源进行介绍,主要分成Wide Vin BUCK、Low Vin BUCK等几个部分展开。

在本节内容中,我会探讨目前BUCK面临的挑战之一EMI问题以及一些对应的优化方案,此外还将着重介绍汽车应用中(如T-BOX)的一级电源(主电源)的TI明星产品LMR333630-Q1以及与之同样优秀的器件。

BUCK的EMI优化方案

在汽车应用,BUCK设计中要实现良好的EMI性能极具挑战又很昂贵。原因在于高频的BUCK越来越流行,而EMI的标准也越来越严格。开关频率越高,可以减少设计中的电感值从而降低器件成本、也可以减少电源设计的PCB面积和尺寸、同时也可以避开收音机的频段以免引入噪声。尽管使用高频的开关频率优势很多,但也会带来很多的EMI问题。通常对大部分的EMI标准而言,频段越高,其EMI标准也会越严格。如下图1中的CISPR-22,高频段显然有更严格的标准。这无疑是个挑战。因为开关频率及其对应的低次谐波都有较高的能量,而跟低频的开关频率的BUCK相比,这些高频的开关频率及其对应的低次谐波的能量有可能就位于EMI要求更严格的频段。幸运的是,新的技术可以帮助BUCK有效地解决这一挑战。

 

 

 

 

 

 

 

图- 1 CISPR-22 EMI标准

TI当前以及下一代BUCK的方案提供了极具创新的封装技术---HotRod,让你板级的EMI优化更加简单。这种HotRod封装有几个关键的特性可以优化EMI。

  • 其一:引脚分配的设置。

如图2所示,HotRod封装有两个电源VIN引脚和两个接地GND引脚,分别位于封装的两端。这种引脚分配可以减少VIN和GND回路造成的寄生环路电感。如果在器件的两边都有对称布局的输入电容,等效寄生回路电感则会减半(两个相等的并联电感)。这可以有效地减少高的di/dt 产生的噪声,相当于高频滤波。

此外,该封装在保持较小的相对电流环路面积的同时,还可以再加两个高频输入电容来维持的di/dt波形。由于回路面积与磁场强度成正比,所以可以减小该回路产生的磁场强度。此外,通过采用对称的di/dt输入回路布局,两个对称回路所产生的磁场方向相反,因而可以相互抵消。

图- 2 LMR333630-Q1的HotRod封装设计示意图

与此同时,如图3所示, HotRod封装可以很方便地将开关节点的引脚 (pin12) 直接连线到芯片正下方。这可以减少开关节点到BOOT电容的连线,从而减少了开关节点区域的面积。这样可以降低开关节点的高频谐波对周围的影响。前面提到的点都有助于完成紧凑的PCB布局布线,如图4所示。

图- 3 LMR333630-Q1 HotRod封装的布局

 

 

 

 

 

 

 

 

图- 4 Hotrod 布局说明

  • 其二:采用Flipped Chip设计

如图5所示,采用Flipped Chip设计,意味着从Die到引脚之间是没有键合线连接的。

图- 5 HotRod的机械示意图

这样可使得由BUCK内部的串联谐振电路导致的开关节点振铃幅度明显减少,HotRod技术和友商的DFN技术振铃幅度对比如图6所示。这主要通过去除键合线来减少环路中的寄生电感来实现。

图- 6 HotRod封装与DFN封装对比图 (HotRod振铃幅度较小)

除了采用HotRod封装可以有效改善BUCK的EMI性能之外,还可以通过优化EMI滤波进行改善。EMI滤波器可分成来两类:LC滤波以及RC阻尼网络。

  • LC滤波

LC滤波可以用于衰减导致EMI超标的开关频率及其谐波。选择合适的LC组件可以通过设置角频率来确保基频有足够衰减。二阶的LC滤波可实现-40dB/decade的衰减。工程师可以根据在特定频率(f)的噪声情况(dBµV)以及所需的衰减(A)来确定所需的角频率(ƒc),从而选择合适的LC。

图- 7 LC 滤波的实现示意图

  • RC阻尼网络

该设计与附加的LC滤波兼容。电路系统可能需要额外的EMI余量,尤其是在较低频率。而LC滤波器可以通过RC阻尼电路来减少滤波角频率处的共振引起的低频噪声。如图8所示,阻尼滤波的典型方法是使用电阻-电容(RC)电路,这种电路不会占用过多PCB面积,却可以实现类似于电解电容的电气特性---有效抑制低频噪声。

图- 8 RC阻尼网络的实现示意图

助力于T-BOX的LMR33630-Q1

在T-BOX等汽车应用中Wide Vin BUCK其实是相当于一级电源(主电源)的角色,用于将12V/24V转成5V (3.8V…)。

  • 耐压要求视系统而定。对于12V系统,耐压要求一般为36V;对于24V系统,耐压要求一般为60V。
  • 所需电流大小当然也视系统而定,通常为3-5A。

TI的LMR333630-Q1符合汽车应用标准,且简单易用,不仅具有前面提到的可优化EMI性能的HotRod封装,还具有以下特点:

  • 既有车规与工规版本,也有2A/3A版本。
  • 宽输入电压范围:3.8V 至 36V (Abs. Max = 38V) 。
  • 峰值电流模式控制,峰值效率 > 95%,并支持轻载高效。
  • 静态电流小(关断为5uA,工作为25uA)。
  • 开关频率可选:400kHz、1.4MHz、2.1MHz。
  • 最短导通时间只有68ns。

LMR333630-Q1还有众多与之同样出色的伙伴,由于篇幅问题不一一展开,列举如下表1所示,可根据所需的系统、耐压以及输出电流大小进行快速选型。

 

输出电流

型号

说明

12V System

2A/3A

LMR33620/30-Q1

3.8-36Vin, Sync

4A/6A

LM61440/60-Q1

3-36Vin, Sync

5A/6A

LM73605/06-Q1

3.5-36Vin, Sync

24V System

2.5A/3.5A/5A

LM76002/3/5-Q1

3.5-60Vin, Sync

表- 1 TI Wide Vin BUCK对比表

需要注明的一点是,车规级的LMR33620/30-Q1, LM76002/3/5-Q1, LMR14020/30/50-Q1都是属于TI的通用器件 (Standard Product),其性价比以及交期都是相当不错。更多Wide Vin BUCK的TI通用器件见下表2。

 

BUCK

TYPE

Iout ≤ 1A

Iout ≤ 2A

Iout ≤ 3A

Iout ≥ 4A

Vin ≤ 60V

Sync

LMR36006

LMR36015

LM76003

LM76005

Non-sync

LMR16010

LMR16020

LMR16030

TPS54560B

Vin ≤ 42V

Sync

TPS560430 (0.6A)

LMR33610 (1A)

LMR33620

LMR33630

LMR33640

Non-sync

LMR14006

LMR14020

LMR14030

LMR14050

 

表- 2 汽车级通用宽压电源

综上所述,TI的LMR33630-Q1及其同样出色的一系列产品可满足汽车应用如T-BOX中低电磁干扰的、高耐压、轻载高效、低成本、高性价比等众多要求,无疑是一级电源的绝佳选择!



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