通過(guò)降低電源對(duì)電容的要求來(lái)解決MLCC短缺問(wèn)題

在全球范圍內(nèi)，多層陶瓷電容(MLCC)供不應(yīng)求。很大部分原因是因?yàn)槭謾C(jī)的電子復(fù)雜性提高、電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)售量增加，以及全球各行各業(yè)電子內(nèi)容的擴(kuò)展。相比幾年前，一些智能手機(jī)的MLCC用量翻了一番;相比使用典型的現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的汽車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)的MLCC用量增加至少4倍(圖1)。MLCC從2016年底開(kāi)始缺貨，這使得生產(chǎn)大電容值產(chǎn)品(幾十μF或更高)變得尤其困難，而最新電子器件采用的高能電源需要這種電容才能運(yùn)行。制造工廠想要降低MLCC要求不可避免地想要從電源的電容要求著手，尤其是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的電容。因此，電源設(shè)計(jì)人員成為解決電容短缺問(wèn)題的關(guān)鍵。

圖1.全球范圍內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)(a)和手機(jī)(b)對(duì)MLCC的用量增加，但生產(chǎn)量沒(méi)有相應(yīng)增加，導(dǎo)致MLCC缺貨。

電源電路使用電容——大量電容

典型的直流-直流降壓變換器使用下列電容(參見(jiàn)圖2)：

·輸出電容：在負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)期間，平緩輸出電壓波紋和電源負(fù)載電流。一般使用幾十μF到100 μF的大電容。

·輸入電容：除了穩(wěn)定輸入電壓之外，它還被用于輸入電流的即時(shí)供應(yīng)。一般在幾μF到幾十μF之間。

·旁路電容：吸收開(kāi)關(guān)操作產(chǎn)生的噪聲和來(lái)自其他電路的噪聲。一般在0.01 μF到0.1 μF之間。

·補(bǔ)償電容：保證反饋回路中的相位裕量并防止振蕩。通常為幾百pF或幾十nF。有些開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC中采用了補(bǔ)償電容。

降低電容的最好方法是想辦法最小化輸出電容的數(shù)量。本文接下來(lái)將介紹減少輸入電容的策略方法，然后介紹降低旁路電容要求，以及，在一定程度上，減少輸入電容的解決方案。

圖2.典型降壓穩(wěn)壓器使用的電容。

增加開(kāi)關(guān)頻率，以降低輸出電容

圖3a顯示的是典型的電流模式降壓變換器的框圖，下部電路區(qū)域表示反饋回路和補(bǔ)償電路。

反饋回路的特性如圖3b所示。回路增益為0 dB(增益=1)時(shí)的頻率被稱(chēng)為交越頻率(fC)。交越頻率越高，穩(wěn)壓器的負(fù)載階躍響應(yīng)性能越出色。例如，圖4顯示的是支持負(fù)載電流從1A快速增加到5A的穩(wěn)壓器的負(fù)載階躍響應(yīng)。所示結(jié)果對(duì)應(yīng)的交越頻率為20 kHz和50 kHz，分別導(dǎo)致60 mV和32 mV壓降。

圖3.典型降壓穩(wěn)壓器(a)的框圖和典型的反饋特性(b)。

圖4.比較采用兩種交越頻率時(shí)，降壓穩(wěn)壓器的負(fù)載階躍響應(yīng)。

從表面上看，提高交越頻率似乎是個(gè)簡(jiǎn)單方法：可以通過(guò)最小化輸出壓降來(lái)改善負(fù)載階躍響應(yīng)，從而減少輸出電容數(shù)量。但是，提高交越頻率會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)問(wèn)題。第一，需要保證反饋回路具備足夠的相位裕量，以防止振蕩。一般來(lái)說(shuō)，采用該交越頻率時(shí)，需要45°或更高(最好是60°或以上)的相位裕量。

第二，需要注意開(kāi)關(guān)頻率(fSW)和fc之間的關(guān)系。如果它們的幅度相當(dāng)，負(fù)反饋會(huì)響應(yīng)輸出電壓波紋，從而影響到穩(wěn)定運(yùn)行。作為一項(xiàng)指導(dǎo)，可以將交越頻率設(shè)置為開(kāi)關(guān)頻率的1/5(或更低)，如圖5所示。

圖5.如果開(kāi)關(guān)頻率和控制回路交越頻率太過(guò)接近，負(fù)反饋可能響應(yīng)輸出電壓波紋。最好是讓交越頻率低于開(kāi)關(guān)頻率1/5。

要增加交越頻率，需要同時(shí)增加開(kāi)關(guān)頻率，但是，這會(huì)導(dǎo)致頂部和底部FET的開(kāi)關(guān)損耗增加，會(huì)降低轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)生更多熱量。在電容上實(shí)現(xiàn)的節(jié)省會(huì)因?yàn)樵黾由嵩?lái)的復(fù)雜性抵消：比如鰭狀散熱器、風(fēng)扇或額外的板空間。

是否能夠在高頻率下保持高效率?答案是肯定的。使用ADI公司提供的Power by Linear?穩(wěn)壓器IC就可以達(dá)到這種效果，這些穩(wěn)壓器IC采用獨(dú)特的FET控制功能，在更高開(kāi)關(guān)頻率下也能保持高效率(圖6)。

例如，LT8640S 6 A輸出降壓穩(wěn)壓器在操作頻率為2 MHz時(shí)(12V輸入和5V輸出)，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)(0.5 A至6 A)能保持高于90%的效率。

這個(gè)穩(wěn)壓器也可以通過(guò)減少電流波紋(ΔIL)來(lái)降低電容要求，從而降低輸出波紋電壓(ΔVOUT)，如圖7所示?；蛘?，使用更小的電感。

開(kāi)關(guān)頻率更高時(shí)，可以增加交越頻率，以改善負(fù)載階躍響應(yīng)和負(fù)載調(diào)整，如圖8所示。

圖6.Power by Linear穩(wěn)壓器與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。對(duì)于典型的穩(wěn)壓器，開(kāi)關(guān)頻率增高時(shí)，效率會(huì)下降。ADI的Power by Linear穩(wěn)壓器可以在非常高的操作頻率下保持高效率，因而支持使用值更小的輸出電容。

圖7.通過(guò)增加開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減小電容和電感的尺寸。

圖8.增加開(kāi)關(guān)頻率可以改善負(fù)載階躍響應(yīng)。

Silent Switcher穩(wěn)壓器可以大幅降低旁路電容

如果減少旁路電容的數(shù)量，會(huì)如何?旁路電容主要被用于吸收開(kāi)關(guān)操作產(chǎn)生的噪聲。如果能從其他方面降低開(kāi)關(guān)噪聲，就可以減少旁路電容的數(shù)量。有一個(gè)特別簡(jiǎn)單的方法可以實(shí)現(xiàn)這種效果，即使用Silent Switcher®穩(wěn)壓器。

Silent Switcher穩(wěn)壓器如何降低開(kāi)關(guān)噪聲?開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器具有兩個(gè)電流回路：頂部FET開(kāi)啟，底部FET關(guān)閉(紅色回路);頂部FET關(guān)閉，底部FET開(kāi)啟(藍(lán)色回路)，如圖9所示。熱回路傳輸完全開(kāi)關(guān)的交流電流，也就是說(shuō)，從0切換到IPEAK，然后回到0。它具備最高的交流和EMI能源，會(huì)產(chǎn)生最強(qiáng)變化的磁場(chǎng)。

圖9.開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中的熱回路會(huì)因?yàn)楸旧懋a(chǎn)生的交變磁場(chǎng)而導(dǎo)致大量輻射噪聲。

可以使用壓擺率控制來(lái)降低柵級(jí)信號(hào)變化的頻率(降低di/dt)，以便抑制開(kāi)關(guān)噪聲。這種方法雖然能夠抑制噪聲，但會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，導(dǎo)致產(chǎn)生更多熱量，在之前所述的高開(kāi)關(guān)頻率下尤其如此。壓擺率控制在某些條件下是有效的，ADI公司也提供包含這種控制的解決方案。

Silent Switcher穩(wěn)壓器可以抑制熱回路中產(chǎn)生的電磁噪聲，但不是使用壓擺率控制。而是將VIN引腳一分為二，令熱回路可以分成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的熱回路。產(chǎn)生的磁場(chǎng)被限制在靠近IC的區(qū)域，其他位置大幅降低，從而最大限度地降低輻射開(kāi)關(guān)噪聲(圖10)。

圖10.獲得專(zhuān)利的Silent Switcher技術(shù)。

LT8640S是Silent Switcher技術(shù)的第二代，即Silent Switcher 2(圖11)，IC內(nèi)部集成高頻輸入電容。這可以確保最大限度地抑制噪聲，因此也無(wú)需如以前一樣非常小心地在布局中確定輸入電容的位置。毫無(wú)疑問(wèn)，這也會(huì)降低對(duì)MLCC的要求。另一項(xiàng)功能——展頻，會(huì)通過(guò)動(dòng)態(tài)改變開(kāi)關(guān)頻率來(lái)降低噪聲峰值。LT8640S兼具這些功能，因此能夠輕松滿足CISPR 25 5級(jí)EMC汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)(圖12)。

圖11.ADI公司提供的Silent Switcher 2技術(shù)在IC中集成輸入電容，由此簡(jiǎn)化布局和提升噪聲抑制性能。

圖12.在Silent Switcher 2器件(例如LT8640S)中采用這些降噪功能使得產(chǎn)品能夠輕松滿足CISPR 25 5級(jí)峰值限值標(biāo)準(zhǔn)，甚至降低輸入和旁路電容。

結(jié)論

ADI公司提供的Power by Linear器件有助于降低MLCC要求，從而幫助設(shè)計(jì)人員解決MLCC短缺問(wèn)題。可以通過(guò)使用高頻率操作來(lái)降低輸出電容要求，同時(shí)保持出色的高效率。采用Silent Switcher架構(gòu)的器件可以大幅抑制EMI噪聲，從而降低旁路電容要求。Silent Switcher 2器件進(jìn)一步降低了對(duì)MLCC的需求。