ADI:安靜且簡(jiǎn)單的Silent Switcher器件

簡(jiǎn)介

不言而喻，PC電路板的布局設(shè)計(jì)決定了每一種電源設(shè)計(jì)的成敗。它決定了一個(gè)電源的功能、電磁干擾（EMI）和熱行為。雖然開(kāi)關(guān)電源布局不是黑魔法，但在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)經(jīng)常被忽視，最終發(fā)現(xiàn)其至關(guān)重要卻為時(shí)已晚。因此需要一種行之有效的方法，從一開(kāi)始就削弱這些潛在的EMI威脅，方能確保電源安靜而穩(wěn)定。雖然許多開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)人員都很清楚開(kāi)關(guān)模式電源的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和細(xì)微差別，但很多公司根本沒(méi)有足夠的設(shè)計(jì)人員滿足所有項(xiàng)目需求完成設(shè)計(jì)。不少設(shè)計(jì)人員將退休并離開(kāi)此行業(yè)！那么，如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？

首先，就是因?yàn)?a href="http://srfitnesspt.com/analog/" target="_blank">模擬電源設(shè)計(jì)人員不足，所以要求越來(lái)越多的數(shù)字設(shè)計(jì)人員進(jìn)行開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)！雖然大多數(shù)數(shù)字設(shè)計(jì)人員都知道如何使用簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓器，但并非所有設(shè)計(jì)都要求降壓（降壓模式）。事實(shí)上，很多是升壓模式（升壓），甚至是降壓-升壓拓?fù)洌ń祲汉蜕龎耗Ｊ较嘟Y(jié)合）。

顯然，許多電子系統(tǒng)制造商都面臨一個(gè)問(wèn)題：如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的所有開(kāi)關(guān)模式電源電路？

解決設(shè)計(jì)資源短缺問(wèn)題

在本文中，我將介紹降壓穩(wěn)壓器工作的一些基本原理，包括開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器熱回路中的高di/dt和寄生電感如何導(dǎo)致電磁噪聲和開(kāi)關(guān)振鈴。然后我們將看看如何減少高頻噪聲。我還將介紹ADI的Power by Linear? Silent Switcher?技術(shù)，包括它如何構(gòu)成，并演示它如何幫助解決EMI問(wèn)題，且絲毫不會(huì)影響性能。其中還包括Silent Switcher器件如何工作。

我還將概述Silent Switcher的封裝和布局，討論這些封裝和布局如何提高降壓轉(zhuǎn)換器的整體性能。此外，我將演示如何將此技術(shù)融入我們的μModule?穩(wěn)壓器，從而提高Silent Switcher器件的集成度。對(duì)于不熟悉開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)技術(shù)的設(shè)計(jì)人員，這些簡(jiǎn)單易用的解決方案會(huì)很有用。

基本降壓穩(wěn)壓器電路

最基本的電源拓?fù)渲皇墙祲悍€(wěn)壓器，如圖1所示。EMI從高di/dt回路開(kāi)始。供電線和負(fù)載線不應(yīng)具有高交流電流分量。因此，輸入電容C2應(yīng)將所有相關(guān)電流的交流分量傳輸至輸出電容C1，所有電流交流分量在這里結(jié)束。

圖1.同步降壓穩(wěn)壓器原理圖。

參考圖1，在M1關(guān)閉而M2打開(kāi)的開(kāi)啟周期中，交流電流在實(shí)線藍(lán)色回路中流動(dòng)。在關(guān)閉周期中，當(dāng)M1打開(kāi)而M2關(guān)閉時(shí)，交流電流在綠色虛線回路中流動(dòng)。大多數(shù)人難以理解，產(chǎn)生最高EMI的回路既不是實(shí)線藍(lán)色回路，也不是虛線綠色回路。而是虛線紅色回路中流動(dòng)的全開(kāi)關(guān)交流電流，從零切換至I峰值，再回到零。虛線紅色回路通常指熱回路，因?yàn)樗凶罡呓涣麟娏骱虴MI能量。

導(dǎo)致電磁噪聲和開(kāi)關(guān)振鈴的是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器熱回路中的高di/dt和寄生電感。要減少EMI并改進(jìn)功能，需要盡量減少虛線紅色回路的輻射效應(yīng)。如果我們能夠?qū)⑻摼€紅色回路的PC電路板面積減少到零，并且能夠買到具有零阻抗的理想電容，就能解決這個(gè)問(wèn)題。然而，在現(xiàn)實(shí)世界中，設(shè)計(jì)工程師所能做的就是找到一個(gè)最佳的折中方案！

那么，這些高頻噪聲到底是從哪里來(lái)的呢？在電子電路中，通過(guò)寄生電阻、電感和電容耦合，在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，產(chǎn)生了高頻諧波。知道是哪里產(chǎn)生噪聲，那么如何減少高頻開(kāi)關(guān)噪聲呢？減少噪聲的傳統(tǒng)方式是減慢MOSFET開(kāi)關(guān)邊緣。通過(guò)減慢內(nèi)部開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器或從外部添加緩沖器，就可以實(shí)現(xiàn)。

圖2.如何將LT8610轉(zhuǎn)換為Silent Switcher器件——LT8614。

但是，這會(huì)降低轉(zhuǎn)換器的效率，因?yàn)樵黾恿碎_(kāi)關(guān)損耗——特別是當(dāng)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在高開(kāi)關(guān)頻率（如2 MHz）下運(yùn)行時(shí)。說(shuō)到這里，我們?yōu)楹我? MHz的頻率下運(yùn)行呢？實(shí)際上有幾個(gè)原因：

?它允許使用較?。ǔ叽纾┑耐獠吭珉娙莺碗姼?。例如，每次開(kāi)關(guān)頻率加倍，會(huì)使電感值和輸出電容值減半。

?在汽車應(yīng)用中，在2 MHz下開(kāi)關(guān)可以避免在AM頻段產(chǎn)生噪聲。

減小輻射，也可使用濾波器和屏蔽，但這需要更多的外部元件和電路板面積。還可采用展頻（SSFM）技術(shù)，但這樣在已知范圍內(nèi)會(huì)使系統(tǒng)時(shí)鐘抖動(dòng)。SSFM有助于滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)要求。EMI能量被打散分布在頻域上。雖然普通開(kāi)關(guān)電源所選的開(kāi)關(guān)頻率通常會(huì)在AM頻段之外（530 kHz至1.8 MHz），但在AM頻段內(nèi)，未經(jīng)調(diào)制的開(kāi)關(guān)諧波仍可能不符合嚴(yán)格的汽車EMI要求。添加SSFM功能可明顯減少AM頻段內(nèi)及其他區(qū)域中的EMI。

或者就使用ADI的Silent Switcher技術(shù)，該技術(shù)能夠滿足上述所有要求：

?高效率

?高開(kāi)關(guān)頻率

?低電磁輻射（EMI）

Silent Switcher技術(shù)

Silent Switcher器件無(wú)需減慢開(kāi)關(guān)邊緣速率，解決了EMI和效率之間的權(quán)衡問(wèn)題。那么如何才能實(shí)現(xiàn)呢？考慮使用LT8610，如圖2左側(cè)所示。這是支持42 V輸入的單片（內(nèi)部有FET）同步降壓轉(zhuǎn)換器，可提供高達(dá)2.5 A的輸出電流。請(qǐng)注意，其左上角有一個(gè)輸入引腳（VIN）。

但是，將LT8610與LT8614（支持42 V輸入的單片同步降壓轉(zhuǎn)換器，可提供高達(dá)4 A的輸出電流）相比，我們可以看到，LT8614在封裝的另一側(cè)有兩個(gè)VIN引腳和兩個(gè)接地引腳。這很重要，因?yàn)樗菍?shí)現(xiàn)超低噪聲開(kāi)關(guān)的一部分！

如何使開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器具有超低噪聲

如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)？在芯片另一側(cè)的VIN和接地引腳之間放置兩個(gè)輸入電容可消除磁場(chǎng)?；脽羝型怀鲲@示了這一點(diǎn)，在原理圖和演示板上均用紅色箭頭指向電容的位置，如圖3所示。

圖3.LT8614圖，顯示濾波器電容安置在IC另一側(cè)的VIN和接地引腳之間。

LT8614詳情

LT8614包含Silent Switcher功能。利用該功能，我們通過(guò)使用銅柱倒裝芯片封裝能夠減少寄生電感。此外，還有反向VIN、接地和輸入電容，可消除磁場(chǎng)（適用右手法則）以降低EMI輻射。

由于不需要使用焊線鍵合式裝配技術(shù)所要求的長(zhǎng)鍵合線，不會(huì)產(chǎn)生大的寄生電阻和電感，從而可減小封裝寄生電感。兩個(gè)對(duì)稱分布的輸入熱回路產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)相互抵消，并且電回路沒(méi)有凈磁場(chǎng)。

我們將LT8614 Silent Switcher穩(wěn)壓器與當(dāng)前先進(jìn)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器LT8610進(jìn)行比較。在GTEM室中，對(duì)兩個(gè)器件的標(biāo)準(zhǔn)演示板使用相同負(fù)載、相同輸入電壓和相同電感進(jìn)行了測(cè)試。我們發(fā)現(xiàn)，與使用LT8610具有很不錯(cuò)的EMI性能相比，使用LT8614時(shí)還能提高20 dB，特別是在管理更高頻率更困難的區(qū)域。在整體設(shè)計(jì)中，與其他敏感系統(tǒng)相比，LT8614開(kāi)關(guān)電源需要的濾波更少、距離更短，從而可以實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單緊湊的設(shè)計(jì)。此外，在時(shí)域內(nèi)，LT8614在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)邊緣的性能良好。

圖4.LT8614輻射EMI性能可滿足最嚴(yán)格的CISPR 25 Class 5限制要求。

Silent Switcher器件的進(jìn)一步增強(qiáng)

盡管LT8614具有出色的性能，但我們并沒(méi)有停止改進(jìn)的步伐。于是，LT8640降壓穩(wěn)壓器采用Silent Switcher架構(gòu)，旨在最大限度地減少EMI/EMC輻射，同時(shí)在高達(dá)3 MHz的頻率下提供高效率。它采用3 mm × 4 mm QFN封裝，采用集成電源單片式結(jié)構(gòu)，同時(shí)提供所有必需的電路功能，共同構(gòu)成PCB占用空間最小的解決方案。瞬變態(tài)響應(yīng)性能仍然很出色，任何負(fù)載（從零電流到滿電流）時(shí)的輸出電壓紋波低于10 mV p-pat。LT8640允許在高頻率下進(jìn)行高VIN到低VOUT轉(zhuǎn)換，最短開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間為30 ns。

為改進(jìn)EMI/EMC，LT8640可工作在展頻模式。該功能以20%的三角調(diào)頻調(diào)整時(shí)鐘。當(dāng)LT8640處于展頻調(diào)制模式時(shí)，使用三角調(diào)頻功能在RT設(shè)定值與約高于該值20%之間調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率。調(diào)制頻率約為3 kHz。例如，當(dāng)LT8640設(shè)為2 MHz時(shí)，3 kHz速率下的頻率將從2 MHz至2.4 MHz不等。選擇展頻工作模式時(shí)，突發(fā)模式（Burst Mode?）操作會(huì)禁用，器件將在脈沖跳躍模式或強(qiáng)制連續(xù)模式下運(yùn)行。

然而，盡管我們?cè)赟ilent Switcher數(shù)據(jù)手冊(cè)中都有說(shuō)明，如提供了原理圖和布局建議，以及將輸入電容放在盡可能靠近IC兩側(cè)的位置——有一些客戶仍然會(huì)出錯(cuò)。此外，我們的內(nèi)部工程師也花了太多的時(shí)間來(lái)解決客戶的PCB布局問(wèn)題。因此，我們的設(shè)計(jì)人員提出了解決此問(wèn)題的最佳解決方案——Silent Switcher 2架構(gòu)。

Silent Switcher 2

采用Silent Switcher 2技術(shù)，我們只需將電容集成在新LQFN封裝內(nèi)：VIN電容、IntVCC和升壓電容——盡可能靠近引腳放置。優(yōu)勢(shì)是將所有熱回路和接地層都包括在內(nèi)，從而降低了EMI。外部元件越少，解決方案尺寸就越小。此外，我們還消除了PCB布局敏感性。

如圖5所示，可以看出LT8640和LT8640S的原理圖有何不同。而營(yíng)銷突破口是為包含內(nèi)部電容的集成度更高的新版本冠以“S”的后綴。因?yàn)樗鹊谝淮鞍察o”！

圖5.LT8640S是一款具有更高的電容集成度的Silent Switcher 2器件。

Silent Switcher 2技術(shù)提高了散熱性能。LQFN倒裝芯片封裝上的多個(gè)大尺寸接地裸露焊盤有助于封裝和PCB散熱。由于我們消除了高電阻鍵合線，因此還提高了轉(zhuǎn)換效率。LT8640S的EMI性能輕松滿足輻射EMI性能CISPR 25 Class 5峰值限制要求并且有較大的裕量。

下一步：所有組件都與Silent Switcher 2 μModule穩(wěn)壓器集成

Silent Switcher技術(shù)如此引人注目，我們選擇將其融入我們的μModule穩(wěn)壓器產(chǎn)品線。所有組件都集成在一個(gè)小尺寸封裝中，為用戶提供了一個(gè)簡(jiǎn)單可靠、高性能和高電源密度的解決方案。 LTM8053和LTM8073是幾乎集成了所有組件的微型模塊穩(wěn)壓器，只有少量電容和電阻接在外部。

圖6.LTM8053 Silent Switcher 2 μModule。

總結(jié)

綜上所述，Silent Switcher功能和優(yōu)勢(shì)將使您的開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)更容易滿足CISPR 32和CISPR 25等各種抗噪標(biāo)準(zhǔn)要求。它們能夠輕松有效地做到這一點(diǎn)是由于以下特性：

?能夠在大于2 MHz開(kāi)關(guān)頻率下進(jìn)行高效轉(zhuǎn)換，并且對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響最小。

?內(nèi)部旁路電容減少EMI輻射并提供更緊湊的解決方案占板空間。

?采用Silent Switcher 2技術(shù)基本上消除了PCB布局的敏感性。

?可選展頻調(diào)制有助于降低噪聲敏感度。

?使用Silent Switcher器件既可節(jié)省PCB面積，又可減少所需的層數(shù)。

　　Tony Armstrong

　　Tony Armstrong ［tony.armstrong@analog.com］目前是ADI公司Power by Linear產(chǎn)品部的產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)。他負(fù)責(zé)電源轉(zhuǎn)換和管理產(chǎn)品從上市到停產(chǎn)的所有事務(wù)。加入ADI之前，Tony在Linear Technology、Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel擔(dān)任過(guò)營(yíng)銷、銷售和運(yùn)營(yíng)方面的不同職位。他畢業(yè)于英格蘭曼徹斯特大學(xué)，獲得應(yīng)用數(shù)學(xué)（榮譽(yù)）學(xué)士學(xué)位。