作者：德州儀器 Zach Imm 與Sam Jaffe
隨著車用設計與時俱進，需要更高功率的應用越來越多。工程師設計高功率系統時，常常把低壓差（LDO）穩壓器改成直流/直流降壓轉換器，因後者的轉換效率與散熱表現較佳。然而，這樣的改動有其代價，因為直流/直流降壓轉換器的電磁干擾（EMI）比起所替代的LDO穩壓器高出許多。
而EMI會影響敏感元件，如AM/FM收音機接受器、駕駛輔助感測器等，甚至嚴重時還會導致系統失常，所以國際無線電干擾特別委員會（CISPR）等官方標準規範了帶有內燃機的車輛與船隻須遵守的EMI限制，像是CISPR 25 Class 5 (5個等級)。
突破電路板佈線限制
降低EMI最簡單的方法，就是使用正確的印刷電路板（PCB）佈線。對於降壓轉換器，最重要的考量是：
- 降低高瞬態電壓（dv/dt）節點的表面積
- 降低高瞬態電流（di/dt）環路上的環路面積
這些考量決定了特定元件的配置，如果配置正確，就能使 EMI降至最低。
但是，電路板的尺寸與形狀會限制特定元件的配置方式，從而導致洗板所需時間與開銷過高。我們要如何在重重限制中，仍然符合CISPR 25 Class 5的EMI規定呢？
如果無法改善EMI佈線方式，以下列出幾個直流/直流轉換器搭配萬用佈線封裝（layout-agnostic package），從裝置層級（device-level）改善以壓低EMI。
低EMI的裝置層級功能
展頻功能可以透過抖動（dither）切換頻率，來分散開關節點所產生的EMI諧波，展開諧波中集中的能量，分散到其他頻率，如此就不需要太多的濾波與最佳化，也能讓設計符合規範。
控制迴轉率（slew-rate）可以降低高壓側場效應電晶體（FET）的起動時間，進而降低高頻諧波的能量。只要在起動電容多串連一個小電阻，或在帶有此功能裝置的RBOOT針腳加一個起動電阻，就能達成效果。儘管降低FET的迴轉率可以改善EMI，但同時也會影響效率。
低EMI封裝
TI的HotRod
導線架上覆晶封裝（flip-chip-on-lead frame），是能夠抑制EMI的封裝等級，如圖1所示，內部沒有接合打線。透過移除在輸入端電容不連續電流高di/dt環路上電感性的接合打線，可以消除輸入環路電感的一個主要來源，並滿足上面提到的其中一個主要考量：降低高di/dt環路的面積。
圖1：標準導線接合四方扁平無引線（QFN）封裝與HotRod封裝的橫截面
另一個封裝等級的特色，是在關鍵線路上使用對稱針腳。LMR33630-Q1、LMR36015-Q1、LM61460-Q1、LMQ61460-Q1等直流/直流降壓轉換器的開關節點針腳在中間，並在兩側都有PGND和VIN針腳。這樣對稱設計產生的磁場有較好的圍阻，能降低與周圍電路的耦合。
整合輸入端電容
為了要使裝置層級的EMI降低，LMQ61460-Q1等產品將輸入端電容整合到封裝中。圖2a中的電容以深色長方形顯示，跨接右上與右下的VIN與PGND針腳對，可參考圖2b的針腳圖。將輸入端電容納入封裝可以減少寄生電感、振鈴、以及高頻EMI（同樣是因為滿足了第二個考量）。特別要注意高頻EMI 的影響，因為當輸入高電壓或輸出高電流的時候，高頻率造成的問題更大，而這兩個狀況在車用應用常常發生。
圖2：配置整合電容的LMQ61460-Q1X光圖(a)；LMQ61460-Q1針腳圖(b)
EMI對於車用應用的確是一大挑戰，但電路板佈線限制並沒有斷絕所有生路，裝置層級的功能以及現代封裝方式，可以可靠且有效地壓低EMI，讓您在改良設計的同時，不用擔心EMI超標。
參考資料
- 欲了解封裝方式如何影響EMI，請參考培訓影片「使用HotRod降低EMI並縮小產品體積」
- 閱讀《類比設計期刊》的文章「透過降低寄生電感來減少降壓轉換器的EMI與電壓應力」
- 請參考應用報告「在車用降壓轉換器應用中減少EMI傳導」，以了解如何最佳化車用設計的EMI。
