リニア レギュレータなどの従来の電力変換手法は低ノイズを実現できますが、放熱と効率の要件を満たすには、より高度な手法が必要になる場合があります。ADI のこの記事では、LT8614 Silent Switcher™ が、要求の厳しいアプリケーションで保証されたEFI抑制と高効率を実現する仕組みについて説明します。
EMIの最小化が設計上の優先事項である場合、リニア レギュレータは低ノイズ ソリューションになりますが、放熱と効率の要件によりその選択が不可能となり、スイッチング レギュレータが必要になる場合があります。EMIに敏感なアプリケーションでも、スイッチング レギュレータは通常、入力電源バス ライン上の最初のアクティブ コンポーネントであり、下流のコンバータに関係なく、コンバータの全体的なEMIパフォーマンスに大きな影響を与えます。これまでは、パワーICの選択によってEMIを抑制し、効率要件を満たすことができることを確実に保証する方法はありませんでした。LT8614 Silent Switcher™ レギュレータにより、これが可能になりました。
LT8614は、現在の最先端のスイッチング レギュレータと比較してEMIを20dB以上削減します。比較すると、同等の基板面積で最小オン/オフ時間や効率を損なうことなく、30MHzを超える周波数範囲でEMIを10倍低減します。これは追加のコンポーネントやシールドなしで実現され、スイッチング レギュレータの設計における大きな進歩を表しています。
EMI問題に対する新たな解決策
EMI問題に対する実証済みの解決策は、回路全体にシールド ボックスを使用することです。もちろん、これにより、必要なボードスペース、コンポーネント、アセンブリに多大なコストが追加され、熱管理とテストが複雑になります。もう1つの方法は、スイッチング エッジを遅くすることです。これにより、効率が低下し、最小オン時間、オフ時間、および関連するデッドタイムが増加し、潜在的な電流制御ループ速度が低下するという望ましくない影響が生じます。
LT8614 Silent Switcherレギュレータは、シールド ボックスを使用せずに、シールド ボックスの望ましい効果を実現します ( 図1 を参照)。LT8614は、無負荷状態でデバイスが消費する総電源電流が2.5µAと低いIQを特徴としており、これは常時オンのシステムにとって重要です。
図1. LT8614サイレント スイッチャーは、最大3MHzの周波数で高い効率を実現しながら、EMI/EMC放射を最小限に抑えます。
超低ドロップアウトは内部のトップスイッチによってのみ制限されます。他のソリューションとは異なり、LT8614のVIN-VOUT制限は最大デューティ サイクルと最小オフ時間によって制限されません。デバイスはドロップアウト時にスイッチオフサイクルをスキップし、内部のトップスイッチブーストステージ電圧を維持するために必要な最小限のオフサイクルのみを実行します（ 図6を参照）。
同時に、最小動作入力電圧はわずか2.9V (標準) (最大3.4V) であるため、部品がドロップアウトした状態でも3.3Vレールを供給できます。高電流では、LT8614はスイッチの総抵抗が低いため、同等の部品よりも効率が高くなります。
LT8614は、200kHz ～ 3MHzで動作する外部周波数に同期できます。ACスイッチング損失が低いため、効率損失を最小限に抑えながら高いスイッチング周波数で動作できます。多くの自動車環境で一般的に見られるようなEMIに敏感なアプリケーションでは、適切なバランスを実現でき、LT8614はAM帯域以下で動作してEMIをさらに低減することも、AM帯域以上で動作することもできます。700kHzの動作スイッチング周波数のセットアップでは、標準のLT8614デモ ボードは、CISPR25、クラス5測定でノイズ フロアを超えません。
図2 は、無響室で12V入力、3.3V出力、2A、固定スイッチング周波数700kHzで行われた測定結果を示しています。LT8614 Silent Switcher技術を他の最新鋭のスイッチング レギュレータと比較するために、この部品をLT8610と比較して測定しました ( 図3 を参照)。テストは、両方の部品の標準デモ ボード上で同じ負荷、入力電圧、同じインダクタを使用してGTEMセルで実行されました。
図2. LT8614ボードは無響室でCISPR25放射規格を満たしています。ノイズ フロアはLT8614の放射エミッションに等しくなります。
図3. LT8614とLT8610の放射エミッションの比較。
LT8610のすでに非常に優れたEMI性能と比較すると、特に管理が難しい高周波領域では、LT8614 Silent Switcherテクノロジを使用することで最大20dBの改善が達成されることがわかります。
時間領域では、LT8614はスイッチノードのエッジで良好な動作を示します。 図4 そして 5。4ns/divでも、LT8614 Silent Switcherレギュレータは最小限のリンギングを示します。対照的に、LT8610はリンギングをうまく抑制します。 図4しかし、LT8614と比較してホットループに蓄積されるエネルギーが高いことがわかります（図4）。
図4. LT8614 Silent SwitcherとLT8610のスイッチ ノードの立ち上がりエッジの比較。
図5 13.2V入力でのスイッチ ノードと、LT8614がスイッチ ノードでほぼ理想的な方形波を実現する方法を示します。すべての時間領域測定 図4、 5 そして 6 500MHz Tektronix P6139Aプローブを使用して、PCB GNDプレーンにプローブ先端シールドを近接接続して実行されます。どちらの部分も既製のデモボードが使用されます。
図5. LT8614のほぼ理想的な方形波スイッチ波形により、低ノイズ動作が可能になります。
LT861xファミリの42Vの絶対最大入力電圧定格は、自動車および産業環境にとって重要です。特に自動車の状況では、ドロップアウト動作も同様に重要です。多くの場合、コールドクランク状況でも重要な3.3Vロジック電源をサポートする必要があります。この場合、LT8614 Silent Switcherレギュレータは、LT861xファミリのほぼ理想的な動作を維持します。LT8610/11/14デバイスは、他の部品のより高い低電圧ロックアウト電圧と最大デューティサイクルクランプの代わりに、3.4Vまで動作し、必要に応じてすぐにサイクルをスキップし始めます。 図6。これにより、図に示すように理想的なドロップアウト動作が実現します。 図7。
図6. LT8614およびLT8610のスイッチ ノードのドロップアウト動作。
図7. LT8614のドロップアウト性能。他のLT861xデバイスと同様に、3.4Vまで動作し、必要に応じてすぐにサイクルのスキップを開始します。
LT8614の最小オン時間は30nsと短いため、高いスイッチング周波数でも大きな降圧比を実現できます。その結果、最大42Vの入力から単一のステップダウンでロジック コア電圧を供給できます。
結論
システム完成時にEMIテストに合格するためには、コンバータの初期設計時にEMIを慎重に考慮する必要があることはよく知られています。LT8614 Silent Switcherレギュレータを使用すると、シンプルな電源ICの選択で確実に成功することができます。LT8614は、変換効率を高めながらも、現在の最先端のスイッチング レギュレータからのEMIを20dB以上削減します。追加のコンポーネントやシールドは必要ありません。
スイッチングレギュレータとEMI
プリント基板のレイアウトは、あらゆる電源装置の成功または失敗を決定します。機能、電磁干渉 (EMI)、および熱動作を設定します。スイッチング電源のレイアウトは難解ではありませんが、初期の設計プロセスでは見落とされてしまうことがよくあります。機能要件とEMI要件を満たす必要があるため、電源の機能安定性に優れているものは、通常、EMI放出にも優れています。最初から適切なレイアウトを採用してもコストは増加せず、むしろコスト削減につながり、EMIフィルター、機械的シールド、EMIテスト時間、PCボードの修正が不要になることに注意してください。
EMI放出には伝導性と放射性の2種類があります。伝導性放射は、製品に接続されている配線やトレースに伝わります。ノイズは設計上の特定の端子またはコネクタに限定されるため、適切なレイアウトとフィルタ設計により、開発プロセスの比較的早い段階で伝導放出要件への準拠を確保できる場合が多くあります。
しかし、放射放出は別の話です。基板上で電流を流すものはすべて電磁場を放射します。基板上のすべてのトレースはアンテナであり、すべての銅プレーンはミラーです。純粋な正弦波またはDC電圧以外のものは、広い信号スペクトルを生成します。慎重に設計したとしても、システムがテストされるまでは、設計者は放射エミッションがどれほど悪くなるかを実際には知ることができません。また、設計が本質的に完了するまで、放射エミッションのテストは正式に実行できません。
フィルターは、特定の周波数または周波数範囲での強度を減衰させることによってEMIを低減するためによく使用されます。空間を通過する（放射される）このエネルギーの一部は、磁気シールドとして金属板を追加することで減衰されます。PCBトレース (伝導) に乗る低周波部分は、フェライト ビーズやその他のフィルターを追加することで抑制されます。EMIは完全に排除することはできませんが、他の通信およびデジタル コンポーネントが許容できるレベルまで減衰させることができます。さらに、いくつかの規制機関がコンプライアンスを確保するために標準を施行しています。
表面実装技術による最新の入力フィルタ部品は、スルーホール部品よりも優れた性能を備えています。しかしながら、この改善は、スイッチング レギュレータの動作スイッチング周波数の増加によって上回られています。効率が高く、最小オン時間とオフ時間が短いため、スイッチ遷移が高速になり、高調波成分が高くなります。
スイッチング周波数が2倍になるごとに、EMIは6dB悪化しますが、スイッチ容量や遷移時間などの他のすべてのパラメータは一定のままです。スイッチング周波数が10倍に増加すると、広帯域EMIは1次ハイパスのように動作し、放射が20dB増加します。
賢明なPCB設計者は、ホット ループを小さくし、アクティブ層にできるだけ近いシールド グランド層を使用します。ただし、デバイスのピン配置、パッケージ構造、熱設計要件、およびデカップリング コンポーネントで十分なエネルギーを蓄積するために必要なパッケージ サイズによって、最小のホット ループ サイズが決まります。さらに問題を複雑にしているのは、一般的な平面プリント回路基板では、30MHzを超えるトレース間の磁気またはトランス形式の結合により、すべてのフィルタ効果が低減してしまうことです。これは、周波数が高くなるほど、不要な磁気またはアンテナ結合が効果的になるためです。
複数のDC/DCスイッチ モード レギュレータを並列接続して電流を共有し、出力電力を高めると、干渉とノイズの潜在的な問題が悪化する可能性があります。すべてが同様の周波数で動作（スイッチング）している場合、回路内の複数のレギュレータによって生成される合計エネルギーは、その周波数とその高調波に集中します。このエネルギーの存在は、特にPCボード上の残りのICや、互いに近接していてこの放射エネルギーの影響を受けやすい他のシステム ボードにとって懸念事項となる可能性があります。これは、オーディオ、RF、CANバス、さまざまな受信システムが密集し、近接していることが多い自動車システムでは特に問題になる可能性があります。