運(yùn)用 Silent Switcher™ 設(shè)計(jì)降低 EMI 并改善效率

在重視熱耗散和效率的場合中，人們會(huì)用開關(guān)穩(wěn)壓器替代線性穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器通常是輸入電源總線線路上的首個(gè)有源組件，因此對于整個(gè)轉(zhuǎn)換器電路的 EMI 性能具有重大的影響。

相比于通孔元件，表面貼裝技術(shù)中的新式輸入濾波器組件擁有更好的性能。然而，這種改進(jìn)趕不上開關(guān)穩(wěn)壓器工作開關(guān)頻率增加的步伐。由于開關(guān)切換速度較快的原因，較高的效率、低的最小導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間產(chǎn)生了較高的諧波含量。

在所有其他參數(shù) (例如：開關(guān)電容和轉(zhuǎn)換時(shí)間) 保持恒定的情況下，開關(guān)頻率每增加一倍將使 EMI 性能下降 6dB。如果開關(guān)頻率增加 10 倍，則寬帶 EMI 的作用就像一個(gè)輻射增加了 20dB 的一階高通濾波器。

懂行的 PCB 設(shè)計(jì)師將使熱回路很小，并采用盡可能靠近有源層的屏蔽 GND 層;不過，引出腳配置、封裝構(gòu)造、熱設(shè)計(jì)要求以及在去耦組件中實(shí)現(xiàn)足夠能量存儲(chǔ)所需的封裝尺寸限定了熱回路的最小尺寸。

對布局而言更為棘手的是，在典型的平面型印刷電路板上，高于 30MHz 的走線間磁性耦合或變壓器型耦合將使得濾波器設(shè)計(jì)方面的所有努力大打折扣，因?yàn)橹C波頻率越高，有害磁性耦合的作用就越明顯。

經(jīng)過檢驗(yàn)而可靠的解決方案是為整個(gè)電路采用一個(gè)屏蔽盒。當(dāng)然，這么做將增加成本和所需的電路板空間、使熱管理和測試更加困難、并帶來額外的裝配成本。另一種常用的方法是減緩開關(guān)邊緣速率。這種做法的不利之處是會(huì)降低效率、增加最小導(dǎo)通 / 關(guān)斷時(shí)間和所需的死區(qū)時(shí)間、以及犧牲潛在的電流控制環(huán)路速度。

借助凌力爾特的新型 LT8614 Silent Switcher™ 穩(wěn)壓器，既可以獲得與屏蔽盒相同的作用，又不必使用屏蔽盒，同時(shí)還能消除上述的缺陷。見圖 1。

圖 1：LTC8614 Silent Switcher 可最大限度地抑制 EMI / EMC，并在高達(dá) 3MHz 的頻率條件下提供高效率。

LT8614 具有 LT861x 系列中世界級的低 IQ，工作電流僅為 2.5µA。這是該器件在調(diào)節(jié)狀態(tài)和無負(fù)載條件下的總電源電流消耗。

LT8614 具有與該系列相同的超低壓差，其僅受限于內(nèi)部頂端開關(guān)。與其他替代型解決方案不同，LT8614 的 RDSON 并不受限于最大占空比和最小關(guān)斷時(shí)間。在壓差條件下，該器件將跳過其關(guān)斷周期并僅執(zhí)行必需的最少斷開周期，以使內(nèi)部頂端開關(guān)升壓級電壓得以保持，如圖 6 所示。

與此同時(shí)，最小工作輸入電壓的典型值為 2.9V (最大值為 3.4V)，而且該器件能在其處于壓差狀態(tài)時(shí)提供一個(gè) 3.3V 電壓軌。在高電流時(shí)，LT8614 因其總開關(guān)電阻較低而擁有高于 LT8610 / LT8611 的效率。另外，它還可同步至一個(gè)運(yùn)作范圍為 200kHz 至 3MHz 的外部頻率。

由于 AC 開關(guān)損耗很低，因此其可工作于高開關(guān)頻率而不使效率大幅下降。在那些對 EMI 敏感的應(yīng)用中 (比如：汽車環(huán)境) 可獲得一種上佳的平衡，LT8614 的運(yùn)行頻率既可低于 AM 頻段 (以實(shí)現(xiàn)更低的 EMI)，也可高于 AM 頻段。在一種采用 700kHz 工作開關(guān)頻率的配置中，標(biāo)準(zhǔn)的 LT8614 演示板在 CISPR25 測量中未超過噪聲層。

圖 2 所示的測量結(jié)果是在 12VIN、3.3VOUT/2A 和 700kHz 固定開關(guān)頻率下于一個(gè)吸波暗室中獲得的。

圖 2：藍(lán)色掃跡為噪聲層;紅色掃跡是 LT8614 演示板在一個(gè)吸波暗室中的 CISPR25 輻射測量值。

為了比較 LT8614 Silent Switcher 技術(shù)與當(dāng)今最先進(jìn)的開關(guān)穩(wěn)壓器，我們對該器件和 LT8610 進(jìn)行了對比測量。測試在一個(gè)千兆赫橫電磁波室 (GTEM cell) 中進(jìn)行，在用于這兩款器件的標(biāo)準(zhǔn)演示板上采用了相同的負(fù)載、輸入電壓和相同的電感器。

可見，與 LT8610 已經(jīng)非常優(yōu)越的 EMI 性能相比，采用 LT8614 Silent Switcher 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 20dB 的 EMI 改善幅度，特別是在更難以控制的較高頻段中。這可實(shí)現(xiàn)更加簡單和緊湊的設(shè)計(jì)，在此類設(shè)計(jì)中，LT8614 開關(guān)電源所需的濾波和間隔比整體設(shè)計(jì)中的其他敏感系統(tǒng)要少。

在時(shí)域中，LT8614 在開關(guān)節(jié)點(diǎn)邊緣上表現(xiàn)出非常優(yōu)良的工作特性，如圖 4 所示。

即使采用每格為 4ns 的標(biāo)度，LT8614 Silent Switcher 穩(wěn)壓器也顯現(xiàn)出非常低的振鈴 (見圖 3 中的 Ch2)。LT8610 雖然具有優(yōu)良的阻尼振鈴 (圖 3 中的 Ch2)，但是與 Ch2 中的 LT8614 相比，可以看到 LT8610 在熱回路中存儲(chǔ)了較高的能量。

圖 3：藍(lán)色掃跡是 LT8614，紫色掃跡為 LT8610;兩者均在 13.5VIN、3.3VOUT 和 2.2A 負(fù)載條件下。

圖 4：Ch1：LT8610，Ch2：LT8614 開關(guān)節(jié)點(diǎn)上升沿，兩者均在 8.4VIN、3.3VOUT 和 2.2A 負(fù)載條件下。

圖 5 示出了 13.2VIN 條件下的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。可見從 LT8614 的理想方波產(chǎn)生了極低的偏差 (示于 Ch2)。圖 3 至圖 5 中的所有時(shí)域測量都采用 500MHz Tektronix P6139A 探頭 (并將探針緊密地屏蔽連接至 PCB GND 平面) 完成，兩者均在標(biāo)準(zhǔn)演示板上。

圖 5：3 Ch1：LT8610，Ch2：LT8614，兩者均在 13.2V 輸入、3.3V/2.2A 輸出條件下。

除了其在汽車環(huán)境中的 42V 絕對最大輸入電壓額定值之外，壓差運(yùn)行方式也是非常重要的。通常，關(guān)鍵的 3.3V 邏輯電源必需在整個(gè)冷車發(fā)動(dòng)期間得到支持。在該場合中，LT8614 Silent Switcher 穩(wěn)壓器保持了 LT861x 系列近乎理想的運(yùn)行方式。與替代器件采用較高的欠壓閉鎖電壓和最大占空比箝位不同，LT8610 / LT8611 / LT8614 器件可在低至 3.4V 的電壓下運(yùn)作，并在必要時(shí)盡快地開始跳過斷開周期，如圖 6 所示。這產(chǎn)生了理想的壓差運(yùn)行方式，如圖 7 所示。

圖 6：3 Ch1：LT8610，Ch2：LT8614 開關(guān)節(jié)點(diǎn)壓差運(yùn)行方式

圖 7：LT8614 壓差運(yùn)行方式

即使在高開關(guān)頻率下，LT8614 很低的最小導(dǎo)通時(shí)間 (30ns) 也能實(shí)現(xiàn)大的降壓比。因此，其通過對高達(dá) 42V 的輸入進(jìn)行單次降壓就能提供邏輯內(nèi)核電壓。

總之，LT8614 Silent Switcher 穩(wěn)壓器可使當(dāng)今先進(jìn)的開關(guān)穩(wěn)壓器之 EMI 下降 20dB 以上，同時(shí)提高轉(zhuǎn)換效率，而且沒有缺點(diǎn)。在高于 30MHz 的頻率范圍中可獲得 10 倍的 EMI 改善幅度，且在電路板面積相同的情況下未犧牲最小導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間或效率。上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)并未采用特殊的組件或屏蔽，因而標(biāo)志著開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。迄今為止，利用單個(gè) IC 達(dá)到這種性能水平尚無先例。該器件正是那種可幫助終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)師使其產(chǎn)品邁上新臺(tái)階的突破性集成電路。