超低噪聲μModule降壓型穩(wěn)壓器滿足簡(jiǎn)單電源設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)人員面臨許多權(quán)衡取舍。需要高效率、大轉(zhuǎn)換比、高功率和良好的熱性能？選擇開關(guān)穩(wěn)壓器。需要低噪音？選擇線性穩(wěn)壓器。需要全部嗎？妥協(xié)。一種折衷方案是采用帶有線性穩(wěn)壓器的開關(guān)穩(wěn)壓器。雖然相對(duì)于僅使用開關(guān)穩(wěn)壓器的解決方案，這樣可以清除輸出噪聲，但即使使用鐵氧體磁珠、π濾波器和LC濾波器，也會(huì)保留很大一部分傳導(dǎo)和輻射EMI。問題總是可以追溯到開關(guān)穩(wěn)壓器，其中快速dI/dt轉(zhuǎn)換和高開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致高頻EMI，但某些應(yīng)用，尤其是那些具有大轉(zhuǎn)換比的應(yīng)用，需要開關(guān)穩(wěn)壓器。

幸運(yùn)的是，LTM4606 和 LTM4612 μModule 穩(wěn)壓器提供了開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)保持了超低的傳導(dǎo)和輻射噪聲。這些μModule降壓穩(wěn)壓器旨在實(shí)現(xiàn)高功率密度并滿足EMC（電磁兼容性）標(biāo)準(zhǔn)。集成的超低噪聲特性允許兩個(gè)器件通過 CISPR 22 輻射發(fā)射限制的 B 類，從而消除了昂貴的 EMI 設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。有關(guān)這兩個(gè)部分的功能比較，請(qǐng)參見表 1。

兩款μModule穩(wěn)壓器均采用節(jié)省空間、扁平和熱增強(qiáng)型15mm×15mm×2.8mm LGA封裝，因此可以放置在印刷電路板底部的未使用空間上，以實(shí)現(xiàn)高精度負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)。這對(duì)于需要笨重冷卻系統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器來說是不可能的。幾乎所有支持元件都集成在μModule封裝中，因此布局設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要幾個(gè)輸入和輸出電容。

為了獲得更大的輸出功率，兩個(gè)器件可以很容易地并聯(lián)，由于電流模式控制結(jié)構(gòu)，輸出電流自動(dòng)共享。

采用超低噪聲μ模塊穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)單電源設(shè)計(jì)

利用幾個(gè)外部輸入和輸出電容器，LTM4612 能夠提供 4.5A 的 DC 輸出電流，而 LTM4606 能夠提供 6A 的電流。LTM4612 的可編程輸出可在 3.3V 至 15V 輸入的 4.5V 至 36V 范圍內(nèi)精確調(diào)節(jié);LTM4606 能夠在一個(gè) 0.6V 至 5V 范圍內(nèi)產(chǎn)生 4.5V 至 28V 的電壓。通過電流模式控制和優(yōu)化的內(nèi)部補(bǔ)償，即使在面對(duì)顯著的負(fù)載瞬變時(shí)，也能提供穩(wěn)定的輸出。

圖 1 示出了 LTM4606 的簡(jiǎn)化框圖，其輸入范圍為 4.5V 至 28V 和 2.5V/6A 輸出。圖2顯示了CCM模式下12V輸入電壓下的效率測(cè)試曲線。利用 LTM92 在 4606kHz 開關(guān)頻率下運(yùn)行，在滿負(fù)載時(shí)可實(shí)現(xiàn)約 900% 的效率。

圖1.LTM4606 的簡(jiǎn)化框圖 （LTM4612 與此類似）。只需幾個(gè)電容和電阻即可構(gòu)建完整的寬輸入范圍穩(wěn)壓器。

圖2.LTM4606 在采用一個(gè) 12V 輸入時(shí)的效率。

圖3顯示了一個(gè)完整的18V–36V V在， 12V/4.5A V外采用 LTM4612 進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖 4 顯示了效率。

圖3.幾個(gè)電容器和電阻器完善了 18V–36V 輸入、12V/4.5A 輸出設(shè)計(jì)。

圖4.圖3所示電路的效率。

兩款器件均具有良好的熱性能和較大的輸出負(fù)載電流。圖 5 示出了 LTM4606 的熱圖像，具有 24V 輸入和 3.3V 輸出 （在 6A 負(fù)載電流下）。最高外殼溫度僅為73.5°C，輸出功率為20W。

圖5.LTM4606 的熱圖像具有 24V 輸入和 3.3V 輸出 （在 6A） 時(shí)。

兩者都包括許多內(nèi)置功能，例如可控軟啟動(dòng)、RUN 引腳控制、輸出電壓跟蹤和裕量調(diào)節(jié)、PGOOD 指示器、頻率調(diào)整和外部時(shí)鐘同步。通過向 DRV 施加外部柵極驅(qū)動(dòng)器電壓，可以進(jìn)一步提高效率抄送引腳，尤其是在高 V 時(shí)在應(yīng)用?？梢詥⒂梅沁B續(xù)模式操作以提高輕負(fù)載效率。

降低傳導(dǎo)電磁干擾

當(dāng)穩(wěn)壓器以高頻工作時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器的傳導(dǎo)輸入和輸出噪聲（又稱紋波）通常是一個(gè)問題，這在空間受限的應(yīng)用中很常見。LTM4606 和 LTM4612 通過集成一個(gè)高頻電感器來降低輸入端的峰峰值紋波，如圖 6 所示。V處的外部輸入電容D和 V在引腳構(gòu)成高頻輸入π濾波器。這有效地減少了模塊和主輸入總線之間的導(dǎo)電EMI耦合。

圖6.輸入π濾波器可降低高頻輸入噪聲。

由于大多數(shù)輸入均方根電流流入電容C3，電壓為VD引腳，C3應(yīng)具有足夠的容量來處理RMS電流。建議使用 10μF 陶瓷電容器。為了有效衰減EMI，請(qǐng)將C3放置在盡可能靠近V的位置D針。陶瓷電容器C2主要決定紋波噪聲衰減，因此可以改變電容器值以滿足不同的輸入紋波要求。僅當(dāng)輸入源阻抗受到長(zhǎng)電感引線或走線的影響時(shí)，才需要C1。

由于這些μModule穩(wěn)壓器用于降壓電路拓?fù)洌虼擞奢敵鲭姼蠰和電容C形成的低通濾波器外同樣可以降低傳導(dǎo)輸出EMI。

為了顯示這些μModule穩(wěn)壓器的相對(duì)噪聲衰減，將一個(gè)不具有低噪聲特性的類似模塊與LTM4606的輸入和輸出噪聲進(jìn)行比較，如圖7和圖8所示。兩個(gè)模塊均在 5V 輸入至 1.2V 輸出（5A）和阻性負(fù)載下進(jìn)行了測(cè)試。比較中使用相同的電路板布局和I/O電容器。結(jié)果表明，與圖4606所示的類似模塊相比，LTM10產(chǎn)生的輸入和輸出噪聲要低得多，峰峰值輸入噪聲降低了近3×輸出噪聲，輸出噪聲降低了7×以上。

圖7.輸入和輸出噪聲與無低噪聲特性的同類μModule穩(wěn)壓器相同。

圖8.LTM4606 μModule 穩(wěn)壓器的輸入和輸出噪聲明顯低于圖 7 中的穩(wěn)壓器。

圖 9 示出了采用 4612V V 電壓的 LTM24 的傳導(dǎo) EMI 測(cè)試結(jié)果在， 12V/5A V外，適用于 EMI 標(biāo)準(zhǔn) CISPR 25 5 級(jí)。該測(cè)試的輸入電容來自 4 × 個(gè) 10μF/50V 陶瓷和一個(gè) 150μF/50V 電解。

圖9.LTM4612 的傳導(dǎo) EMI 測(cè)試通過了 EMI 標(biāo)準(zhǔn) CISPR 25 5 級(jí)。

降低輻射電磁干擾

開關(guān)穩(wěn)壓器還會(huì)產(chǎn)生輻射EMI，這是由高效穩(wěn)壓器固有的高dI/dt信號(hào)引起的。輸入π濾波器有助于限制由直接模塊區(qū)域中的高 dI/dt 環(huán)路引起的輻射 EMI，但為了進(jìn)一步衰減輻射 EMI，LTM4606 和 LTM4612 包括一個(gè)用于 MOSFET 的優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)噪聲消除網(wǎng)絡(luò)。

為了測(cè)試輻射EMI，在10米屏蔽室中測(cè)試了幾種設(shè)置，如圖10所示。為了確保低基線輻射噪聲，輸入端使用線性直流電源，輸出端采用阻性負(fù)載。通過電源直接向阻性負(fù)載提供直流電流來檢查基線噪聲?；€發(fā)射掃描結(jié)果如圖11所示。圖中有兩條跡線，一條用于接收天線的垂直和水平方向。

圖 10.設(shè)置輻射發(fā)射掃描。

圖 11.基線噪聲的輻射發(fā)射掃描（無開關(guān)穩(wěn)壓器模塊）。

圖 12 顯示了沒有集成低噪聲特性的 μModule 降壓穩(wěn)壓器 — 而不是 LTM4606 或 LTM4612 的峰值掃描結(jié)果。掃描結(jié)果表明，與基線噪聲水平相比，μModule開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲低于350MHz。此處的輻射EMI不符合CISPR 22（準(zhǔn)峰值）輻射發(fā)射限制的B類。

圖 12.沒有低噪聲特性的典型模塊的輻射發(fā)射峰值掃描。

相比之下，圖13顯示了低噪聲LTM4606模塊的峰值掃描結(jié)果。為了確保在不同工作條件下有足夠的裕量達(dá)到準(zhǔn)峰值限值，使用準(zhǔn)峰值測(cè)量檢查六個(gè)最高噪聲點(diǎn)，如圖13表所示。結(jié)果表明，該器件的裕量比CISPR 12（準(zhǔn)峰值）輻射發(fā)射限值B級(jí)低22dBμV以上。

圖 13.LTM4606 的輻射 EMI 測(cè)試通過了 EMI 標(biāo)準(zhǔn) CISPR 22 B 類。

圖 14 顯示了 LTM4612 在 22V 下滿足 CISPR 24 輻射發(fā)射限值 B 類的結(jié)果在， 12V/5A V外.

圖 14.LTM4612 的輻射 EMI 測(cè)試通過了 EMI 標(biāo)準(zhǔn) CISPR 22 B 類。

結(jié)論

LTM4606 和 LTM4612 μModule 穩(wěn)壓器提供了開關(guān)穩(wěn)壓器的所有高性能優(yōu)勢(shì)，但消除了噪聲問題。超低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)可產(chǎn)生輻射EMI性能，其裕量低于CISPR 22限制的B類，以簡(jiǎn)化噪聲敏感環(huán)境中的應(yīng)用。

卓越的熱性能進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)高效率和緊湊的外形。扁平的 15mm × 15mm × 2.8mm 封裝幾乎包含所有支持元件——只需少量輸入和輸出電容即可完成設(shè)計(jì)。多個(gè)μModule穩(wěn)壓器可輕松并聯(lián)運(yùn)行，以獲得更大的輸出功率。這些器件的多功能性通過軟啟動(dòng)、RUN 引腳控制、輸出電壓跟蹤和裕量調(diào)節(jié)、PGOOD 指示器、頻率調(diào)整和外部時(shí)鐘同步等可選功能得到完善。

審核編輯：郭婷