安靜且簡單的Silent Switcher器件

簡介

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

首先，就是因為模擬電源設(shè)計人員不足，所以要求越來越多的數(shù)字設(shè)計人員進(jìn)行開關(guān)模式電源設(shè)計!雖然大多數(shù)數(shù)字設(shè)計人員都知道如何使用簡單的線性穩(wěn)壓器，但并非所有設(shè)計都要求降壓(降壓模式)。事實上，很多是升壓模式(升壓)，甚至是降壓-升壓拓?fù)?降壓和升壓模式相結(jié)合)。

顯然，許多電子系統(tǒng)制造商都面臨一個問題：如何實現(xiàn)系統(tǒng)所需的所有開關(guān)模式電源電路?

解決設(shè)計資源短缺問題

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問題，且絲毫不會影響性能。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。對于不熟悉開關(guān)模式電源設(shè)計技術(shù)的設(shè)計人員，這些簡單易用的解決方案會很有用。

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打開的開啟周期中，交流電流在實線藍(lán)色回路中流動。在關(guān)閉周期中，當(dāng)M1打開而M2關(guān)閉時，交流電流在綠色虛線回路中流動。大多數(shù)人難以理解，產(chǎn)生最高EMI的回路既不是實線藍(lán)色回路，也不是虛線綠色回路。而是虛線紅色回路中流動的全開關(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，因為它有最高交流電流和EMI能量。

導(dǎo)致電磁噪聲和開關(guān)振鈴的是開關(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，就能解決這個問題。然而，在現(xiàn)實世界中，設(shè)計工程師所能做的就是找到一個最佳的折中方案!

那么，這些高頻噪聲到底是從哪里來的呢?在電子電路中，通過寄生電阻、電感和電容耦合，在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中，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關(guān)噪聲呢?減少噪聲的傳統(tǒng)方式是減慢MOSFET開關(guān)邊緣。通過減慢內(nèi)部開關(guān)驅(qū)動器或從外部添加緩沖器，就可以實現(xiàn)。

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

但是，這會降低轉(zhuǎn)換器的效率，因為增加了開關(guān)損耗——特別是當(dāng)開關(guān)穩(wěn)壓器在高開關(guān)頻率(如2 MHz)下運(yùn)行時。說到這里，我們?yōu)楹我? MHz的頻率下運(yùn)行呢?實際上有幾個原因：

? 它允許使用較小(尺寸)的外部元件，如電容和電感。例如，每次開關(guān)頻率加倍，會使電感值和輸出電容值減半。

? 在汽車應(yīng)用中，在2 MHz下開關(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)會使系統(tǒng)時鐘抖動。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。雖然普通開關(guān)電源所選的開關(guān)頻率通常會在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

? 高開關(guān)頻率

? 低電磁輻射(EMI)

Silent Switcher技術(shù)

Silent Switcher器件無需減慢開關(guān)邊緣速率，解決了EMI和效率之間的權(quán)衡問題。那么如何才能實現(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。請注意，其左上角有一個輸入引腳(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VIN引腳和兩個接地引腳。這很重要，因為它是實現(xiàn)超低噪聲開關(guān)的一部分!

如何使開關(guān)穩(wěn)壓器具有超低噪聲

如何實現(xiàn)這個目標(biāo)?在芯片另一側(cè)的VIN和接地引腳之間放置兩個輸入電容可消除磁場?；脽羝型怀鲲@示了這一點，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(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)所要求的長鍵合線，不會產(chǎn)生大的寄生電阻和電感，從而可減小封裝寄生電感。兩個對稱分布的輸入熱回路產(chǎn)生的反向磁場相互抵消，并且電回路沒有凈磁場。

我們將LT8614 Silent Switcher穩(wěn)壓器與當(dāng)前先進(jìn)的開關(guān)穩(wěn)壓器LT8610進(jìn)行比較。在GTEM室中，對兩個器件的標(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)行了測試。我們發(fā)現(xiàn)，與使用LT8610具有很不錯的EMI性能相比，使用LT8614時還能提高20 dB，特別是在管理更高頻率更困難的區(qū)域。在整體設(shè)計中，與其他敏感系統(tǒng)相比，LT8614開關(guān)電源需要的濾波更少、距離更短，從而可以實現(xiàn)更簡單緊湊的設(shè)計。此外，在時域內(nèi)，LT8614在開關(guān)節(jié)點邊緣的性能良好。

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，最短開關(guān)導(dǎo)通時間為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)整時鐘。當(dāng)LT8640處于展頻調(diào)制模式時，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)整開關(guān)頻率。調(diào)制頻率約為3 kHz。例如，當(dāng)LT8640設(shè)為2 MHz時，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，突發(fā)模式(Burst Mode?)操作會禁用，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，盡管我們在Silent Switcher數(shù)據(jù)手冊中都有說明，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——有一些客戶仍然會出錯。此外，我們的內(nèi)部工程師也花了太多的時間來解決客戶的PCB布局問題。因此，我們的設(shè)計人員提出了解決此問題的最佳解決方案——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。因為它比第一代更“安靜”!

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小尺寸封裝中，為用戶提供了一個簡單可靠、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)勢將使您的開關(guān)模式電源設(shè)計更容易滿足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是由于以下特性：

? 能夠在大于2 MHz開關(guān)頻率下進(jìn)行高效轉(zhuǎn)換，并且對轉(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)。