4開關降壓-升壓轉換器將降壓和升壓控製器結合在單個IC中，當輸出低於輸入時，轉換器用作降壓器
；當輸出高於輸入時，轉換器用作升壓器。在輸出和輸入接近的區域中
，所有四個開關都可以工作。

 

功率產品研究團隊利用ADI公司位於加州聖克拉拉的內部EMI室，對原始雙熱回路同步布局的有效性進行了研究，看看能否使用替代布局來降低EMI噪聲以通過EMI標準。

 

雙熱回路布局要求將熱回路陶瓷電容對稱放置在功率MOSFET周圍，以遏製EMI噪聲。ADI公司獨特的檢測電阻位置——在電感旁邊且在熱回路外部——使shi得de這zhe些xie回hui路lu可ke以yi非fei常chang小xiao，從cong而er最zui大da限xian度du地di降jiang低di熱re回hui路lu的de天tian線xian效xiao應ying。為wei了le實shi現xian這zhe種zhong對dui稱cheng性xing並bing使shi開kai關guan節jie點dian能neng夠gou到dao達da附fu近jin的de電dian感gan，需xu要yao開kai關guan節jie點dian過guo孔kong
，而er這zhe可ke能neng會hui影ying響xiang熱re回hui路lu區qu域yu。研yan究jiu團tuan隊dui利li用yong符fu合heCISPR 25標準的EMI室發現，裸露的開關節點和較大熱回路麵積會產生幹擾性傳導EMI，尤其是在>30 MHz（FM無線電頻帶）時，這是最難衰減的頻率範圍。

 

對於具有單個熱回路的原始降壓-升壓布局，通過重新布置功率MOSFET和(he)熱(re)回(hui)路(lu)電(dian)容(rong)可(ke)以(yi)改(gai)善(shan)其(qi)最(zui)小(xiao)熱(re)回(hui)路(lu)。這(zhe)種(zhong)布(bu)局(ju)稱(cheng)為(wei)單(dan)熱(re)回(hui)路(lu)
，與(yu)之(zhi)相(xiang)對(dui)應(ying)的(de)是(shi)雙(shuang)熱(re)回(hui)路(lu)。使(shi)用(yong)單(dan)個(ge)熱(re)回(hui)路(lu)的(de)好(hao)處(chu)是(shi)不(bu)僅(jin)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)較(jiao)小(xiao)

，而(er)且(qie)能(neng)夠(gou)衰(shuai)減(jian)>30 MHz的傳導發射(CE)，因為熱回路麵積和開關節點的裸露部分已最小化。其有效性已通過如下方式得到驗證：使用相同的控製器IC和相同的功率器件

，比較新布局與雙熱回路布局的EMI噪聲。實驗使用了一個4個開關降壓-升壓控製器 LT8392及其兩種版本的演示電路（DC2626A rev.2和rev.3）。

 

布局比較

 

圖1顯示了雙熱回路和單熱回路的布局與裝配板照片。每個板都有四層：頂層（第1層）、第2層、第3層和底層（第4層）。但是

，圖中僅顯示了頂層和底層。如圖1(a)所示
，熱回路電容位於中心MOSFET的左側和右側，形成相同的熱回路。開關節點過孔用於通過底層（如圖1(c)所示）和第3層將開關節點SW1和SW2連接到主電源電感。SW1和SW2頂層銅節點采用大麵積布局
，以耗散電感和MOSFET的熱量。但同時，大部分裸露的SW1和SW2銅節點成為EMI輻fu射she源yuan。如ru果guo電dian路lu板ban安an裝zhuang在zai底di盤pan接jie地di附fu近jin
，則ze底di盤pan和he開kai關guan節jie點dian銅tong之zhi間jian會hui形xing成cheng寄ji生sheng電dian容rong。它ta使shi高gao頻pin噪zao聲sheng從cong開kai關guan節jie點dian流liu到dao底di盤pan接jie地di，影ying響xiang係xi統tong中zhong的de其qi他ta電dian路lu。在zai符fu合heCISPR 25標準的EMI室中，高頻噪聲流過EMI設置和LISN的接地台。裸露的交換節點還會充當天線，引起輻射EMI噪聲。

 

然而，單熱回路在底層沒有裸露的開關節點銅
，如圖1(d)所示。在圖1(b)所示的頂層
，熱回路電容僅放置在MOSFET的一側，這使得開關節點可以連接到電感而無需使用開關節點過孔。

 

圖1.雙熱回路和單熱回路的布局與照片

 

在單熱回路布局中
，頂部和底部MOSFET不對齊
，但其中一個旋轉90°以使熱回路盡可能小。圖1(e)和圖1(f)中的黃色高亮框比較了雙熱回路與單熱回路的熱回路大小。這些框表明，單熱回路的熱回路為雙熱回路的一半。

 

應當注意
，圖1(a)所示的雙熱回路的兩個0402熱回路電容未被使用，並且1210熱回路電容被擠壓到MOSFET以使熱回路最小。

 

剝離0402電容焊盤附近的阻焊層，以使1210電(dian)容(rong)連(lian)接(jie)良(liang)好(hao)。另(ling)外(wai)

，電(dian)感(gan)焊(han)盤(pan)附(fu)近(jin)的(de)阻(zu)焊(han)層(ceng)被(bei)移(yi)除(chu)，以(yi)在(zai)單(dan)熱(re)回(hui)路(lu)電(dian)路(lu)中(zhong)使(shi)用(yong)該(gai)同(tong)一(yi)電(dian)感(gan)。熱(re)回(hui)路(lu)越(yue)小(xiao)，意(yi)味(wei)著(zhe)回(hui)路(lu)的(de)總(zong)電(dian)感(gan)越(yue)小(xiao)。因(yin)此(ci)，開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)得(de)以(yi)減(jian)少(shao)，開(kai)關(guan)節(jie)點(dian)和(he)開(kai)關(guan)電(dian)流(liu)的(de)LC振鈴也得以衰減。另外
，較小的回路有助於降低30 MHz以上的傳導EMI
，因為電磁輻射騷擾會影響該範圍內的傳導EMI。

 

ADI公司的專有峰值降壓/峰值升壓電流模式控製方案使得4開關降壓-升壓控製器可以形成最小的熱回路。電流檢測電阻與主電感串聯。相比之下，競爭對手的控製器使用穀值降壓/峰值升壓電流模式控製方案，其中電流檢測電阻應放在底部MOSFET的源極和地之間。圖2顯示了此類器件之一的推薦降壓-升壓布局。如黃框所示，熱回路大於雙熱回路或單熱回路。此外，檢測電阻的寄生電感增加了熱回路的總電感。

 

圖2.競爭器件LM5176的推薦降壓-升壓布局

 

EMI比較

 

雙熱回路和單熱回路的EMI是在符合CISPR 25標準的EMI室中測量

，結果顯示於圖3中。圖3還給出了CISPR 25 Class 5標準限值。EMI結果繪製在同一圖中以比較差異
，雙熱回路用黃線標示，單熱回路用紅線標示。灰線是在環境條件下測得的本底噪聲。如圖4所示，雙熱回路的底層的裸露開關節點用銅帶屏蔽接地，以顯示該較小熱回路的效果如何。沒有銅屏蔽的雙熱回路的輻射遠高於圖3中的結果。輸出為12 V、8 A
，輸入電壓設置為13 V
，以使電路工作在4開關切換模式。

 

圖3.雙熱回路和單熱回路的EMI比較曲線：(a) 電壓法傳導發射峰值和均值，(b) 電流探針法傳導發射50 mm峰值和均值
，(c) 電流探針法傳導發射750 mm峰值和均值
，(d) 輻射發射垂直峰值和均值。

 

圖3(a)分別顯示了電壓法傳導發射的峰值和均值。單熱回路在30 MHz以上的CE要低5 dBμV，滿足CISPR 25 Class 5標準對峰值和均值CE的要求，而雙熱回路在FM和VHF頻段（68 MHz至約108 MHz）的均值有過衝
，如黃色高亮框所示。

 

請注意，在該頻率範圍內降低5 dbμv非常有挑戰性。單熱回路不僅在30 MHz的高頻範圍（這是最難衰減的區域）有效
，在包括AM頻段（0.53 MHz至約1.8 MHz）的低頻(<2 MHz)範圍也有效。輻射總是越低越好，尤其是當其為CE時

，因為這會影響所有電連接的係統。

 

電流探針方法是CISPR 25 Class 5指定的另一種測量方法。它在距離DUT 50 mm和750 mm的兩個不同位置測量共模傳導發射，而電壓方法測量共模和差模的混合傳導發射。圖3(b)和3(c)比較了雙熱回路和單熱回路的電流探針法傳導發射。結果表明，單熱回路在30 MHz以上（尤其是FM頻段）具有更低的傳導發射，如黃色高亮框所示。與電壓法傳導發射不同，在AM頻段周圍的低頻處

，單熱回路相對於雙熱回路沒有顯著優勢。

 

 

圖4.雙熱回路的底層的屏蔽開關節點

 

最後
，圖3(d)顯示了兩種不同降壓-升壓布局的輻射發射(RE)。結果幾乎相同

，不過雙熱回路的尖峰在大約90 MHz時，比單熱回路高5 dbμv/m。

 

熱比較

 

圖5顯示了雙熱回路和單熱回路的熱比較。熱圖像是在9.4 V輸入電壓和SSFM開啟的情況下測得。9.4 V是4開關工作區域的最低點
，此後工作模式切換到輸出電壓為12 V的2開關純升壓模式。因此
，測試條件最為惡劣。雙熱回路的最熱元件、升壓側底部MOSFET和he單dan熱re回hui路lu的de溫wen度du幾ji乎hu相xiang同tong。雖sui然ran單dan熱re回hui路lu的de底di層ceng沒mei有you可ke以yi散san熱re的de開kai關guan節jie點dian通tong孔kong和he銅tong，但dan由you於yu熱re回hui路lu較jiao小xiao
，其qi開kai關guan損sun耗hao低di於yu雙shuang熱re回hui路lu。另ling外wai，不bu使shi用yong開kai關guan節jie點dian過guo孔kong使shi得de單dan熱re回hui路lu的de頂ding層ceng能neng夠gou更geng好hao地di散san熱re，因yin為weiMOSFET漏極焊盤和開關節點銅的接觸麵積大於雙熱回路的接觸麵積。

 

結論

 

新的高功率設計建議使用新型單熱回路降壓-升sheng壓ya布bu局ju。由you於yu開kai關guan節jie點dian的de裸luo露lu部bu分fen和he熱re回hui路lu麵mian積ji極ji小xiao，單dan熱re回hui路lu具ju有you降jiang低di傳chuan導dao和he輻fu射she發fa射she的de明ming顯xian優you勢shi，而er不bu存cun在zai任ren何he散san熱re缺que點dian。值zhi得de注zhu意yi的de是shi，它ta能neng降jiang低di30 MHz以上的傳導發射，這是最難衰減的頻率區域。由於ADI公司的4開關降壓-升壓控製器（LT8390/LT8390A
、LT8391/LT8391A、LT8392
、LT8393
、LT8253等）具備專有峰值降壓/峰值升壓電流模式控製特性
，因此熱回路可以做得比競爭器件的熱回路小很多。該控製特性導致效率更高而EMI更低，使得ADI公司的4開關降壓-升壓控製器成為汽車應用或任何EMI敏感應用的出色選擇。

 

圖5.(a) 雙熱回路的熱圖像，(b) 單熱回路的熱圖像。

 

 

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