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1、汽车DCDC芯片EMC设计要点汽车DCDC芯片EMC设计要点2017.6.27Derek.xie North China The Future of Analog IC Technology目录1.汽车DCDC芯片EMC的主要内容和趋势2.汽车DCDC芯片EMC特性3.汽车DCDC芯片EMC的设计要点4.汽车DCDC芯片优化设计范例The Future of Analog IC Technology汽车新趋势对电源提出了新的要求更多的车载DCDC芯片更大的功耗更小的体积更复杂的线束和网络电子化新能源车载互联自动驾驶更多的电源需求，更大的功耗，更小的体积对汽车DCDC电源的EMC设计带来更加严峻
2、的挑战The Future of Analog IC Technology汽车电子测试内容汽车测试标准OEM标准：GM,Ford,BMW,VW,Daimler全球性标准：ISO,CISPR美国标准:SAE中国标准:GB欧洲标准:2004/104/EEC汽车测试标准OEM标准：GM,Ford,BMW,VW,Daimler全球性标准：ISO,CISPR美国标准:SAE中国标准:GB欧洲标准:2004/104/EEC汽车电子产品检测功能/性能测试EMC测试传导发射CE辐射发射CE传导抗扰度CS环境与可靠性测试环保与化学测试辐射抗扰度RS静电放电ESD供电环境实验机械环境试验气候环境试验化学环境试验I
3、SO 16750-2GB280464.2直流电压测试4.3过电压测试4.4叠加交流电压策划试4.5电压慢速下降及上升测试4.6电压断续测试4.7电压反极性测试4.8接地参考及电源偏移测试4.9开路测试4.10短路保护测试4.11耐压测试4.12绝缘电阻测试4.13电磁兼容测试对于汽车零部件来说，电磁兼容测试（EMC）是汽车电子所有测试中很重要的一部分内容The Future of Analog IC Technology汽车电子设备的EMC测试内容对于汽车零部件来说，因为其中DCDC芯片是最常见的噪声源，DCDC芯片的EMC主要是在处理EMI问题零部件测试类别测试项目ISOCISPRSAEEU
4、GB频率EMCEMICE电源线时域传导发射7637-2J1113-422004/104/ECGB/T21437电源线频域传导发射CISPR25J1113-4118655150K108M信号线频域传导发射CISPR25J1113-4118655RE辐射发射-天线接收法CISPR25J1113-412004/104/EC18655150K1G辐射发射-TEM小室法CISPR25J1113-4118655EMSCS电源线脉冲抗扰度7637-2J1113-112004/104/ECGB/T21437信号线脉冲抗扰度7637-3J1113-12GB/T21437RF能量直接注入11452-7J1113-
5、3250K400M大电流注入（BCI）11452-4J1113-42004/104/EC176191M400M电源线音频耦合抗扰度J1113-2RS辐射抗扰度-天线照射法11452-2J1113-212004/104/EC1761980M18G辐射抗扰度-TEM小室法11452-3J1113-242004/104/EC1761910Khz200M辐射抗扰度-带状线法11452-52004/104/EC1761910K400M辐射抗扰度-磁场环照射法11452-8J1113-2215K30KESD静电放电实验10605J1113-1319951The Future of Analog IC Te
6、chnology目录1.汽车DCDC芯片EMC的主要内容和趋势2.汽车DCDC芯片EMC特性3.汽车DCDC芯片EMC的设计要点4.汽车DCDC芯片优化设计范例The Future of Analog IC TechnologyEMC三要素耦合路径干扰源敏感设备在EMI测试中，待测零部件是干扰源，LISN和天线是敏感设备，通过LISN和天线接收信号来分析零部件的电磁干扰的水平在EMS测试中，通过各种天线对零部件发射电磁信号，以及在零部件输入端注入脉冲和噪声，来评估零部件的抗扰能力因为DCDC芯片是最常见的干扰源，而通常又不易受干扰，DCDC芯片的EMC问题主要就是EMI问题The Future
7、 of Analog IC TechnologyDCDC芯片的噪声特性8iSW(t)iSR(t)iL(t)iSW(t)iSR(t)iL(t)BUCK电路的常见开关波形Vsw(t)VinVsw(t)以BUCK为例，DCDC芯片开关过程中产生电压和电流的变化，包含了较快的di/dt和dv/dt噪声分量电流变化电压变化The Future of Analog IC TechnologyDCDC芯片噪声的频率特性9以BUCK为例，DCDC芯片开关噪声不仅包含开关次和倍频频率段的噪声，还根据开关速度不同会产生更高频的噪声sfDuty1fA(f)rt1-20dB/Dec-40dB/Dec噪声的傅里叶分析时
8、域Dutyf1s rtftsf/1tA(t)频域噪声源和开关速度斜率The Future of Analog IC TechnologyDCDC芯片噪声的耦合路径10简单的说，差模噪声是LN线之间的电位差，共模噪声是待测零部件的LN线和参考地之间的电位差传导噪声的分类和耦合路径LISNReceiverEUTEUTLGNLGNVxVyEUT 差模噪声VDM=(Vx-Vy)/2.LEqu.VS 共模噪声VCM=(Vx+Vy)/2CPThe Future of Analog IC TechnologyDCDC芯片噪声的耦合路径11辐射噪声也可分为差模和共模辐射噪声，可通过小环天线和偶极子天线原理来估
9、算辐射噪声的分类和耦合路径The Future of Analog IC TechnologyDCDC芯片噪声的耦合路径12DCDC电源EMI的主要来源于电流和电压跳变,通过共模和差模的形式耦合到接收器上DCDC芯片的噪声和耦合路径开关节点电压大地大地天线LISNThe Future of Analog IC Technology目录1.汽车DCDC芯片EMC的主要内容和趋势2.汽车DCDC芯片EMC特性3.汽车DCDC芯片EMC的设计要点4.汽车DCDC芯片优化设计范例The Future of Analog IC TechnologyEMC设计三原则耦合路径干扰源敏感设备EMI设计的三大基
10、本原则，也是最重要的原则。抑制干扰源切断耦合路径保护敏感设备The Future of Analog IC TechnologyDCDC芯片的噪声源抑制DCDC芯片的主要噪声源是高频电流环路(Hot loop)和高频开关节点(SW note),包含了比较宽频段的谐波分量开关节点电压大地大地LISNDCDC芯片的两大噪声源高频电流环路The Future of Analog IC TechnologyDCDC芯片的高频电流环路高频电流环路(Hot loop)和高频开关节点(SW note)分别产生交变的磁场和电场DCDC芯片的两大噪声源di/dt环路会产生磁场dv/dt节点会产生电场开关节点电压
11、高频电流环路The Future of Analog IC Technology高频电流环路和磁场高频电流环路形成的磁场大小取决于环路面积和电流大小I高频电流环路可以看成是磁偶极子，磁矩?磁场强度随着电流和环路面积而增大磁场强度随着电流和环路面积而增大。A高频电流环路的近场磁场强度要高于电感附近 Keong W.Kam,David Pommerenke Cheung-Wei Lam,Robert SteinfeldEMI Analysis Methods for Synchronous Buck Converter EMI Root Cause Analysis The Future of A
12、nalog IC Technology正确的找出高频电流环路高频电流环路主要存在于电流切换的支路，开关管和连接在开关端两端的电容组成了高频电流回路。各种拓扑的高频电流环路存在于开关回路和滤波电容之间，电感电流是连续的三角波波形，相对而言不是关注的重点Christian Kueck&Jens Hedrich The Future of Analog IC Technology近场和远场干扰近场的磁场和电场对空间辐射的能量很小，能量主要集中在近场范围内。开关节点dv/dt的阻抗通常是K欧姆级，呈现近场电场特性高频开关环路di/dt的阻抗通常是毫欧至欧姆级，呈现近场磁场特性近场源在距离大于/2,变成
13、远场源Christian Kueck&Jens Hedrich The Future of Analog IC Technology高频电流环路的近场干扰高频电流环路形成的磁场在输入电容，滤波器（磁珠/电感），走线上感应出电压和电流，导致滤波器的效果减弱。Christian Kueck&Jens Hedrich The Future of Analog IC Technology高频电流环路的辐射能量高频电流环路的辐射能量取决于环路面积和电流大小rAIfeE=216263A:loop area of the high di/dtcurrent path E:electro magnetic f
14、ield energy A:loop area of the high di/dtcurrent path E:electro magnetic field energy 大地LISN高频电流环路环路天线原理The Future of Analog IC Technology高频电流环路噪声源的抑制同步buck集成MOSFET，环路更小，高频电流回路更小，磁场强度更弱1.同步方案减少高频电流回路面积9mm*9 mm layout010203040506070800.11101001000010203040506070800.11101001000Noise Noise LeveldBuV/mL
15、eveldBuV/m FrequencyMHzFrequencyMHz010203040506070800.11101001000010203040506070800.11101001000Noise Noise LeveldBuV/mLeveldBuV/m FrequencyMHzFrequencyMHzMPQ4420 36V 2A 同步buck芯片SOT23-8封装，集成上下MOSFET，可以过Cispr25 class 5其他非同步buck方案传导测试辐射测试The Future of Analog IC Technology高频电流环路噪声源的抑制电容要尽可能的靠近开关管，同步buck
16、芯片的输入电容要靠近芯片放置。2.输入电容靠近开关管放置不同的电容放置方法导致，高频环路的环路大小不一样，环路越小，磁场能量越小不同电容放置在3米远场测试中的噪声大小Keong W.Kam,David Pommerenke Cheung-Wei Lam,Robert SteinfeldEMI Analysis Methods for Synchronous Buck Converter EMI Root Cause Analysis The Future of Analog IC Technology高频电流环路噪声源的抑制完整的地平面可以感应出电流，并形成相反的磁场来抵消高频环路带来的磁场。
17、4.高频电流环路底层完整PCB铺铜楞次定律：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。Christian Kueck&Jens Hedrich The Future of Analog IC Technology高频电流环路噪声源的抑制完整的铺铜距离高频环路越近，对磁场的削弱作用越强。4.高频电流环路底层完整PCB铺铜不同距离铺铜的磁场强度-11,3DB 2mm距离铺铜两层板0dB 单层板-11,3DB 2mm距离铺铜两层板0dB 单层板-30.4DB 0.2mm距离铺铜多层板-30.4DB 0.2mm距离铺铜多层板Christian Kueck&Jens H
18、edrich The Future of Analog IC TechnologyMPQ4492高频电流环路噪声源的抑制采用对称设计的芯片，两侧都放置输入电容可以很好的减弱磁场的辐射。5.对称放置输入电容抵消磁场两个输入回路，电流几乎减半，方向相反，外部空间的磁场可以相互抵消VinVinPGNDPGNDI/2I/2MPQ4492 36V 5A 同步buck芯片支持双路2.4A，全集成单芯片解决方案，EMI特性好C1C2The Future of Analog IC Technology高频电流环路噪声源的抑制注意输入端滤波器位置的摆放，远离高频电流环路6.输入滤波器远离高频电流环路Cin2输入
19、滤波器的电感和电容，接线口等最好和芯片高频环路不在一层，避免受磁场影响输入电容和芯片高频环路在同一层，高频环路底层是完整的铺铜平面，板层距离越近抵消效果越好Christian Kueck&Jens Hedrich The Future of Analog IC Technology开关节点噪声源的抑制通常会产生共模电流，容易带来辐射干扰开关节点噪声源通过耦合电容形成电流开关节点电压大地大地LISNThe Future of Analog IC Technology开关节点噪声源的抑制减小耦合电容和增大共模电感都可以增加共模通路的阻抗，使共模电流下降。1.减小节点面积，减小等效耦合电容2.增加共
20、模电感抑制共模电流TEM cell 电场测试 Keong W.Kam,David Pommerenke Cheung-Wei Lam,Robert SteinfeldEMI Analysis Methods for Synchronous Buck Converter EMI Root Cause Analysis The Future of Analog IC Technology开关频率的考虑开关频率提高通常EMI的能量会增大.开关频率提高一倍，EMI 能量提高一倍，10*log2=3DB能量分布的频段只有原来的一半，10log2*2=6DBf0dB6dBChristian Kueck&J
21、ens Hedrich The Future of Analog IC Technology开关频率的考虑展频技术可以减低开关频率噪声的集中度，降低低频段的噪声分量。.展频可以将能量分散到开关频率附近的频段 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75100k200300 400500 8001M2M3M 4M5M 6 8 10M20M30MPegel in dBVFrequenz in HzGW AN VW T L 81000 2016-02_PK_BW _9kHz_Kl.5GW AN VW T L 81000 2016-02_QP_BW _9k
22、Hz_Kl.5GW AN VW T L 81000 2014-04_QP_BW _9kHz_Kl.5462,250 kHz52,549 dBV 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75100k200300 400500 8001M2M3M 4M5M 6 8 10M20M30MPegel in dBVFrequenz in HzGW AN VW T L 81000 2016-02_PK_BW _9kHz_Kl.5GW AN VW T L 81000 2016-02_QP_BW _9kHz_Kl.5GW AN VW T L 81000 2014-0
23、4_QP_BW _9kHz_Kl.5444,250 kHz46,753 dBVCE 100 kHz 30 MHz QP-FFTChristian Kueck&Jens Hedrich The Future of Analog IC Technology目录1.汽车DCDC芯片EMC的主要内容和趋势2.汽车DCDC芯片EMC特性3.汽车DCDC芯片EMC的设计要点4.汽车DCDC芯片优化设计范例The Future of Analog IC TechnologyEMI优化设计范例集成电感，可以进一步减小环路，提高EMI性能。.Molding ModuleInductorHigh Frequenc
24、y Decoupling CapacitorPower ICMold CompoundPower ICThe Future of Analog IC TechnologyEMI优化设计范例MPM3515前端只需要磁珠和电容做Pi型滤波，不需要大容量电容和电感.Christian Kueck&Jens Hedrich MPM3515 36V 1.5A 集成电感芯片90m/50m集成MOSFET2.2M开关频率QFN-20(3mmx5mmx1.6mm)FB=0805 180100MHzThe Future of Analog IC TechnologyEMI优化设计范例MPM3515 小体积PCB
25、优化设计，体积小，适合摄像头等应用Christian Kueck&Jens Hedrich MPM3515 3.3V 1.5A 方案输入输出滤波器的电感和电容，接线口在Bottom层，和芯片高频环路不在一层，避免受磁场影响芯片输入电容靠近芯片放置，采用对称结构来抵消高频电流环路的磁场完整独立的GND层完整的GND层The Future of Analog IC Technology0 5 1 0 1 5 20 25 30 35 40 45 50 55 603040 60 80 1 00 1 20 1 40 1 60 1 80 200P e g e l in d B V/mFrequenz in
26、 MHzGrenzwertlinie gestrahlt EN 55025 PeakGrenzwertlinie gestrahlt EN 55025 QP1 07,450000 M Hz22,954 dBV/m39,200000 M Hz1 5,534 dBV/mEMI优化设计范例MPM3515优化设计后，EMI测试结果比较好Christian Kueck&Jens Hedrich MPM3515 CE and RE测试，Cispr25限值0 5 1 0 1 5 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 801 50k 300 400500 8001 M2M3M
27、 4M5M 6 8 1 0M20M30M 40 5060 80 1 20MP e g e l in d B VFrequenz in HzGrenzwertlinie Leitungsgebunden BNN EN 55025 Peak Klasse 5Grenzwertlinie Leitungsgebunden BNN EN 55025 QP Klasse 50 5 1 0 1 5 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 701 00k200300 400500 800 1 M2M3M4M 5M6 8 1 0M20M30MP e g e l in d B V/mFrequenz in HzGrenzwertlinie gestrahlt EN 55025 QPGrenzwertlinie gestrahlt EN 55025 PeakCE PK 150K108MRE PK 150K30MRE PK 30M200MThe Future of Analog IC Technology谢谢！感谢Christian Kueck&Jens Hedrich 提供的大量素材和指导！Derek Xie(谢建宇)FAE（Field Application Engineer）MPS Shanghai officeMobile:18602175715 Derek.X