降压电源转换器设计中的EMI和效率考虑因素

品慧电子讯现代消费者比以往任何时候都更热衷于追求和接受新鲜技术。随着对智能手机、智能手表、平板电脑和可穿戴健身手环等设备进行更新，他们对每一代新产品的性能预期也都会提升。他们不仅要求功能增强，而且期望设备变得更小、更快，运行时间也要比前代产品更长。

现代消费者比以往任何时候都更热衷于追求和接受新鲜技术。随着对智能手机、智能手表、平板电脑和可穿戴健身手环等设备进行更新，他们对每一代新产品的性能预期也都会提升。他们不仅要求功能增强，而且期望设备变得更小、更快，运行时间也要比前代产品更长。

虽然这种对最新产品的强烈欲望推动了科技公司的业务发展，但它也对负责新设计的工程师们带来了挑战。为了创建高密度电路并增加运行时间，效率也必须提高。然而，随着设计中的电子元器件变得越来越小型化和密密麻麻，在电磁干扰（EMI）相关问题上不偷工减料就显得愈发重要。

电源转换

所有的便携式设备都有一个共同点，就是它们都由某种形式的电池供电。然而，来自电池的电压不太可能直接为构成产品设计核心的半导体器件所用，因此需要对其进行转换，将电压变换（并稳定）到正确的水平。

所谓的“降压”转换器已经变得非常流行——它为将电池电压转换为稳定的半导体电源提供了一种简单且更有效的方式。降压转换器通过“斩断”来自电池的直流电压来改变电平，但是此举有可能引入EMI相关问题。

虽然EMI话题可能非常复杂，但设计人员在设计大多数降压转换器时有许多问题都应当关注：

· 电流回路的布局

· 元器件放置

· 输出纹波电压

· 输入电容器的选择

· 辐射EMI抑制

为了减小电源转换器和相关磁性器件的尺寸，设计人员通常会使用更高的开关频率。然而，随着电流变化率（di/dt）的增加，产生EMI的可能性也会增加。为了最大限度地减少这些影响，了解电流如何在元器件之间流动就非常重要。一旦清楚地了解了电流路径，设计人员就应确保所有的返回电流路径，尤其是接地走线，尽可能短并且低阻抗。

电流以及所选拓扑结构（此例中为降压拓扑）在确定元器件布局方面也起着重要作用。

一个关键考虑因素是在放置电容器和电感器时要确保电流回路最短。这样做时，需要对输入电源走线进行布线。在此，设计人员应确保使这些走线的电感大于输入电容器的ESR——这也就解释了为什么低ESR的电容器会是不错之选。

同时，在输入方面，电容器的选择也很重要，设计人员不应予以忽视。电容器是电源转换器的重要组成部分，选择具有高能量的电容器，如基美电子（KEMET）的KO-CAP聚合物电容器，或低ESR的MLCC器件，是很好的做法。将这两种类型组合在一起，可以降低纹波电压并最大限度地减少元器件数量。

选择输入电容时，还应记住输出电流会直接影响输入纹波电压。对瞬态电流的要求进行定义可能很艰巨，但它会直接影响输入电容的选择，因此是设计过程中的一个重要步骤。

通常，在解决EMI问题时，尽管纹波电压较大极有可能引起EMI问题，但电流却是首要考虑因素。根据欧姆定律，通过功率电感器的交流电流流入输出电容器，遇到ESR会产生纹波电压。因此，选择具有低ESR的输出电容可降低输出纹波电压。

传导EMI通常是降压转换器设计中最常见的问题。然而，特别是在密集排布的设计，例如现代消费类设备中，辐射EMI也是一个问题。虽然良好的布局和布线设计等技术可以减少这个问题，但它无法完全避免。

铁氧体器件，例如基美电子的Flex Suppressor（柔性抑制片）产品，对于创建电路内屏障非常有用，其可有效地将敏感电路区域与可能耦合到不期望辐射噪声的其他部分相隔离。

高效设计

解决了潜在的噪声问题后，就需要考虑降压转换器设计的整体效率。更高效的设计可以实现更长的运行时间；由于发热量减少，元器件也可以更紧密地放置在一起，这样，设计人员就能够灵活地缩短走线，从而解决EMI问题。

电源工程师可使用降压控制器IC和精心设计的功率电感器来最大限度地降低损耗并提高效率。选择能够在高频下工作并能提供大电流饱和特性和低直流电阻（DCR）的电感器，对于高效降压转换器设计至关重要。

基美电子的METCOM新系列电感器可有效支持更高效的降压转换器开发，并适用于包括EMI滤波在内的其他电源相关应用。金属复合磁芯具有大电流饱和特性，可使电感器在大纹波电流下保持运作。高磁导率可实现低DCR，这样就可在大电流工作期间显著减少自发热，从而提高系统效率并减少对散热设计考虑的需要。

METCOM电感器具有屏蔽结构，因此可将大部分磁通量控制在电感器体内，从而实现更高效的工作。这样就可增强辐射EMI性能，并显著降低与附近电路区域的RF耦合。

基美电子新型电感器的取值范围从0.10mH到47.00mH，DCR值低至1.5mW。它们可以处理高达35.4A的电流，工作温度在-55℃至+155℃之间。其封装面积小至5.3mm×5.00mm，高度低至2.0mm，非常适合现代电源应用中的密集电路使用。

本文小结

在这个互联时代，我们每天都离不开各种高科技设备，而电源转换对于提供这些产品来说至关重要。设计人员要想创建更密集的设计，提高效率和控制EMI是其关键挑战。但是，若能遵循良好的设计实践并仔细选择元器件，这些挑战就能迎刃而解。

（来源：基美电子（KEMET），作者：Samuel Accardo，现场应用工程师）

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