BUCK面临的挑战：EMI问题及对应的优化方案-buck转换电路实验结果分析

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。

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！

审核编辑：郭婷