毋庸置疑，PC 板布局決定了每個(gè)電源設(shè)計(jì)的成敗。它設(shè)置功能、電磁干擾 （EMI） 和熱行為。雖然開(kāi)關(guān)電源布局不是黑魔法，但它經(jīng)常被忽視，直到在設(shè)計(jì)過(guò)程中為時(shí)已晚。因此，從一開(kāi)始就有一種行之有效的方法來(lái)減輕EMI產(chǎn)生的潛在威脅，可以確保安靜穩(wěn)定的電源。雖然許多開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)人員都熟悉開(kāi)關(guān)模式電源的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和細(xì)微差別，但許多公司中根本沒(méi)有足夠的設(shè)計(jì)人員來(lái)完成所有項(xiàng)目需求的所有設(shè)計(jì)。他們正在退休并離開(kāi)這個(gè)行業(yè)！那么，這個(gè)問(wèn)題是如何解決的呢？

首先，越來(lái)越多的數(shù)字設(shè)計(jì)人員被要求采用開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)，如果沒(méi)有其他原因，就是沒(méi)有足夠的模擬電源設(shè)計(jì)人員來(lái)完成這項(xiàng)工作！雖然可以肯定地說(shuō)，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)壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)，但并非所有的電源要求都是降壓（降壓模式）。事實(shí)上，許多是升壓模式（升壓）甚至降壓-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)制造商面臨的一個(gè)明顯問(wèn)題是：我的系統(tǒng)中所需的所有開(kāi)關(guān)模式電源電路將如何完成？

解決設(shè)計(jì)資源不足問(wèn)題

在本演講過(guò)程中，我將介紹降壓穩(wěn)壓器工作的一些基礎(chǔ)知識(shí)，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。然后我們將看到可以做些什么來(lái)降低高頻噪聲。我還將介紹ADI的線性功耗靜音開(kāi)關(guān)技術(shù)，包括其構(gòu)造方式，并演示它如何幫助解決EMI問(wèn)題，而沒(méi)有任何妥協(xié)。這還將包括靜默切換器設(shè)備的工作原理。

我還將概述靜音切換器的封裝和布局，并討論它們?nèi)绾翁岣呓祲?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器的整體性能。此外，我將演示如何將靜音開(kāi)關(guān)器件集成到μModule穩(wěn)壓器中，從而展示如何實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的靜音開(kāi)關(guān)器件集成度。這些為那些在開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)技術(shù)方面不成熟的用戶提供了簡(jiǎn)單易用的解決方案。?

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環(huán)路開(kāi)始。電源線以及負(fù)載線不應(yīng)具有高交流電流含量。因此，輸入電容C2應(yīng)將所有相關(guān)交流源出至輸出電容C1，其中任何交流電結(jié)束。

圖1.同步降壓穩(wěn)壓器原理圖。

仍然參考圖1，在M1閉合和M2開(kāi)路的導(dǎo)通周期中，交流電跟隨穩(wěn)定的藍(lán)色環(huán)路。在關(guān)斷周期中，M1開(kāi)路，M2閉合，交流電跟隨綠色虛線環(huán)路。大多數(shù)人很難理解產(chǎn)生最高EMI的環(huán)路不是純藍(lán)色也不是虛線綠色。只有在紅色虛線回路中流淌著完全切換的交流電，從零切換到I峰值，然后再切換回零。紅色虛線回路通常被稱為熱回路，因?yàn)樗哂凶罡叩慕涣骱虴MI能量。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器熱回路中的高di/dt和寄生電感會(huì)導(dǎo)致電磁噪聲和開(kāi)關(guān)振鈴。為了降低EMI并改善功能，需要盡可能減少紅色虛線環(huán)路的輻射效應(yīng)。如果我們能夠?qū)⒓t色虛線環(huán)路的PCB面積減小到零，并購(gòu)買(mǎi)阻抗為零的理想電容器，問(wèn)題就會(huì)得到解決。然而，在現(xiàn)實(shí)世界中，設(shè)計(jì)工程師必須找到一個(gè)最佳的折衷方案！

那么，所有這些高頻噪聲究竟是從哪里來(lái)的呢？在電子電路中，通過(guò)寄生電阻、電感和電容耦合的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生高頻諧波。那么，知道噪聲產(chǎn)生在哪里，可以做些什么來(lái)降低高頻開(kāi)關(guān)噪聲呢？降低噪聲的傳統(tǒng)方法是減慢 MOSFET 開(kāi)關(guān)邊沿的速度。這可以通過(guò)減慢內(nèi)部開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器或從外部添加緩沖器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

然而，由于開(kāi)關(guān)損耗增加，這會(huì)降低轉(zhuǎn)換器的效率，特別是當(dāng)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器以2 MHz的高開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行時(shí)。 說(shuō)到這一點(diǎn)，我們?yōu)槭裁匆? MHz運(yùn)行？好吧，實(shí)際上有幾個(gè)原因：

它允許使用更?。ǔ叽纾┑耐獠吭珉娙萜骱?a target="_blank">電感器。例如，開(kāi)關(guān)頻率每增加一倍，電感值和輸出電容值就會(huì)減半。

在汽車應(yīng)用中，以2 MHz開(kāi)關(guān)可將噪聲排除在AM無(wú)線電頻段之外。

也可以使用濾波器和屏蔽，但這在外部元件和電路板面積方面成本更高。還可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻頻率調(diào)制（SSFM），這種技術(shù)使系統(tǒng)時(shí)鐘在已知范圍內(nèi)抖動(dòng)。SSFM有助于通過(guò)EMI標(biāo)準(zhǔn)。EMI能量分布在頻域上。雖然開(kāi)關(guān)頻率通常選擇在AM頻段（530 kHz至1.8 MHz）之外，但未增強(qiáng)的開(kāi)關(guān)諧波仍可能違反AM頻段內(nèi)嚴(yán)格的汽車EMI要求。添加SSFM可顯著降低AM頻段內(nèi)以及其他區(qū)域的EMI。

或者，可以簡(jiǎn)單地使用ADI的靜音切換器技術(shù)，因?yàn)樗鼰o(wú)需權(quán)衡即可滿足概述的所有要點(diǎn)：

高效率

高開(kāi)關(guān)頻率

低電磁干擾

靜音切換器技術(shù)

靜音開(kāi)關(guān)器件無(wú)需減慢開(kāi)關(guān)邊沿速率，從而打破了EMI和效率之間的權(quán)衡。但是，如何才能做到這一點(diǎn)呢？考慮LT8610，如圖2左側(cè)所示。它是一款支持42 V輸入的單芯片（FET內(nèi)部）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，它只有一個(gè)輸入引腳 （V在） 的左上角。

圖2.如何將 LT8610 制成靜音開(kāi)關(guān)器件 — LT8614。

但是，將LT8610與LT8614（一款42 V輸入能力的單芯片同步降壓轉(zhuǎn)換器，可提供高達(dá)4 A的輸出電流）進(jìn)行比較時(shí)，可以看到LT8614具有兩個(gè)V在引腳和兩個(gè)接地引腳位于封裝的另一側(cè)。這很重要，因?yàn)樗鞘蛊潇o音切換的一部分！

如何使切換臺(tái)靜音

那么我們?cè)撊绾巫鑫覀兯龅氖虑槟?？在V之間的芯片相對(duì)側(cè)放置兩個(gè)輸入電容在接地引腳將消除磁場(chǎng)?；脽羝型怀鲲@示了這一點(diǎn)，紅色箭頭指向原理圖和演示板上的電容位置，如圖3所示。

圖3.LT8614 的示意圖顯示了 V 之間的濾波器帽在以及 IC 相對(duì)側(cè)的接地引腳。

LT8614 的更多細(xì)節(jié)

LT8614 集成了靜音切換器功能。有了它，我們能夠通過(guò)使用銅柱倒裝芯片封裝來(lái)降低寄生電感。此外，還有相反的V在、接地和輸入電容，以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)消除（適用右手規(guī)則）以降低 EMI 輻射。

通過(guò)消除引線鍵合組裝技術(shù)的長(zhǎng)鍵合線來(lái)降低封裝寄生電感，這種長(zhǎng)鍵合線會(huì)產(chǎn)生寄生電阻和電感。來(lái)自熱回路的相反磁場(chǎng)相互抵消，電回路看不到凈磁場(chǎng)。

我們將 LT8614 靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓器與當(dāng)前最先進(jìn)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 LT8610 進(jìn)行了比較。測(cè)試在GTEM單元中執(zhí)行，使用相同負(fù)載、相同輸入電壓和標(biāo)準(zhǔn)演示板上相同電感，用于兩個(gè)器件。我們發(fā)現(xiàn)，與LT8610已經(jīng)非常好的EMI性能相比，使用LT8614時(shí)提高了20 dB，特別是在更難管理的更高頻率區(qū)域。這使得設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、更緊湊，與整體設(shè)計(jì)中的其他敏感系統(tǒng)相比，LT8614 開(kāi)關(guān)電源需要更少的濾波和距離。此外，在時(shí)域中，LT8614在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)邊緣表現(xiàn)出非常良性的行為。

圖4.LT8614 輻射 EMI 性能通過(guò)了最嚴(yán)格的 CISPR 25 5 類限制。

靜默切換器設(shè)備的進(jìn)一步增強(qiáng)

盡管LT8614具有令人印象深刻的性能，但我們并沒(méi)有停止嘗試改進(jìn)其性能。因此，LT8640降壓型穩(wěn)壓器采用靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器架構(gòu)，旨在最大限度地降低EMI/EMC輻射，同時(shí)在高達(dá)3 MHz的頻率下提供高效率。 采用 3 mm × 4 mm QFN 封裝，采用單片結(jié)構(gòu)，集成電源開(kāi)關(guān)并包含所有必要的電路，從而產(chǎn)生具有最小 PCB 占位面積的解決方案。瞬態(tài)響應(yīng)保持出色，輸出電壓紋波低于10 mV p-p-p，任何負(fù)載（從零電流到全電流）。LT8640 允許高 V在至低 V外高頻轉(zhuǎn)換，快速最小頂部開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間為30 ns。

為了改善 EMI/EMC，LT8640 可在擴(kuò)頻模式下工作。此功能通過(guò) 20% 的三角頻率調(diào)制來(lái)改變時(shí)鐘。當(dāng) LT8640 處于擴(kuò)頻頻率調(diào)制模式時(shí)，使用三角頻率調(diào)制來(lái)改變開(kāi)關(guān)頻率，介于由 RT 編程的值之間，使其比該值高約 20%。調(diào)制頻率約為 3 kHz。例如，當(dāng)LT8640編程為2 MHz時(shí)，頻率將在2 MHz至2.4 MHz之間變化，速率為3 kHz。選擇擴(kuò)頻操作時(shí)，突發(fā)模式操作將被禁用，器件將以脈沖跳躍模式或強(qiáng)制連續(xù)模式運(yùn)行。?

盡管如此，盡管我們?cè)陟o音開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)中進(jìn)行了所有說(shuō)明，例如顯示原理圖和布局建議，以及輸入電容盡可能靠近IC兩側(cè)的放置，但我們的一些客戶仍然會(huì)犯錯(cuò)誤。此外， 我們的內(nèi)部工程師花費(fèi)了太多時(shí)間來(lái)修復(fù)客戶的PCB布局.因此，我們的設(shè)計(jì)師為這個(gè)問(wèn)題想出了一個(gè)絕妙的解決方案——靜音切換器 2 架構(gòu)。

靜音切換臺(tái) 2

借助靜音切換器 2 技術(shù)，我們只需將電容器集成到新的 LQFN 封裝中：V在大寫(xiě)字母，IntV抄送和升壓電容 - 允許放置在盡可能靠近引腳的位置。優(yōu)點(diǎn)包括內(nèi)部的所有熱回路和接地層，所有這些都降低了EMI。更少的外部元件意味著更小的解決方案尺寸。此外，我們還消除了PCB布局靈敏度。

如圖5所示，您可以看到LT8640和LT8640S的原理圖有何不同。而且，營(yíng)銷突破是給帶有內(nèi)部大寫(xiě)字母的新的、集成度更高的版本加上“S”后綴。因?yàn)樗?更“沉默”圣代！

圖5.LT8640S 是一款靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 2 器件，具有更高級(jí)別的電容器集成度。

靜音切換器 2 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更好的熱性能。LQFN 倒裝芯片封裝上的大型多接地裸露焊盤(pán)便于將熱量從封裝中拉出并進(jìn)入 PCB。由于我們消除了高電阻鍵合線，因此我們還獲得了更高的轉(zhuǎn)換效率。LT8640S 的 EMI 性能可輕松通過(guò)輻射 EMI 性能 CISPR 25 5 類峰值限值，裕量很大。

下一步：與靜音切換器集成 2 μModule 穩(wěn)壓器

靜音開(kāi)關(guān)技術(shù)非常引人注目，因此我們選擇將其整合到我們的μModule穩(wěn)壓器產(chǎn)品線中。在這種外形尺寸中，所有內(nèi)容都集成在單個(gè)封裝中，為用戶提供簡(jiǎn)單性、可靠性、性能和高功率密度。LTM8053 和 LTM8073 是微模塊穩(wěn)壓器，其中所有內(nèi)容實(shí)際上都集成在外部的幾個(gè)電容器和電阻器中。

圖6.LTM8053 靜音切換器 2 μ模塊。

總結(jié)

總之，靜音開(kāi)關(guān)電源的功能和優(yōu)勢(shì)將使您的開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)更容易通過(guò)各種抗擾度標(biāo)準(zhǔn)，如 CISPR 32 和 CISPR 25。由于具有以下屬性，它們可以輕松有效地執(zhí)行此操作：

開(kāi)關(guān)頻率高于2 MHz時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換，對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響最小。

內(nèi)部旁路電容器可降低 EMI 輻射，并提供更緊湊的解決方案占板面積。

采用靜音切換器 2 技術(shù)基本上消除了 PCB 布局靈敏度。

可選的擴(kuò)頻調(diào)制有助于降低噪聲靈敏度。

使用靜音切換器器件可節(jié)省PCB面積，還可以減少所需的層數(shù)。

審核編輯：郭婷