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。雖然許多開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)人員都熟悉開關(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)別的靜音開關(guān)器件集成度。這些為那些在開關(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)降低高頻開關(guān)噪聲呢？降低噪聲的傳統(tǒng)方法是減慢 MOSFET 開關(guān)邊沿的速度。這可以通過(guò)減慢內(nèi)部開關(guān)驅(qū)動(dòng)器或從外部添加緩沖器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

然而，由于開關(guān)損耗增加，這會(huì)降低轉(zhuǎn)換器的效率，特別是當(dāng)開關(guān)穩(wěn)壓器以2 MHz的高開關(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：

它允許使用更小（尺寸）的外部元件，如電容器和電感器。例如，開關(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

高開關(guān)頻率

低電磁干擾

靜音切換器技術(shù)

靜音開關(guān)器件無(wú)需減慢開關(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龅氖虑槟兀吭赩之間的芯片相對(duì)側(cè)放置兩個(gè)輸入電容在接地引腳將消除磁場(chǎng)。幻燈片中突出顯示了這一點(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 靜音開關(guān)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓器與當(dāng)前最先進(jìn)的開關(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 開關(guān)電源需要更少的濾波和距離。此外，在時(shí)域中，LT8614在開關(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，靜音開關(guān)電源的功能和優(yōu)勢(shì)將使您的開關(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