如何使用集成電源模塊解決DC/DC的噪聲、能效和布局的問題

為10伏（典型值）或更低的低電壓和約2至15安培（A）的適度電流水平構(gòu)建基本的降壓（降壓）DC/DC穩(wěn)壓器似乎并不困難。設(shè)計人員只需選擇合適的開關(guān)穩(wěn)壓器IC，并使用數(shù)據(jù)手冊或應(yīng)用筆記中的示例電路添加一些無源元件。但是，設(shè)計是否真的完成了，并準備好發(fā)布到試運行，甚至生產(chǎn)？應(yīng)該不會。

雖然穩(wěn)壓器提供了所需的直流電源軌，但它仍然存在一些潛在的問題和問題。首先，效率可能無法滿足項目目標或法規(guī)要求，從而增加熱影響，以及縮短電池壽命。其次，可能需要額外的組件來確保適當?shù)膯?、瞬態(tài)性能和低紋波，這反過來又會影響尺寸、上市時間和整體物料清單（BOM）。最后，也許也是最具挑戰(zhàn)性的是，該設(shè)計可能無法滿足各種法規(guī)要求對電磁干擾（EMI）或射頻干擾（RFI）日益嚴格的限制，因此需要重新設(shè)計或進一步增加組件和測試。

本文介紹了基本DC/DC穩(wěn)壓器設(shè)計與滿足或超過效率、低輻射和紋波噪聲以及整體集成度要求的卓越設(shè)計之間的期望和性能差距。本文隨后介紹了ADI公司的靜音開關(guān)μ模塊，并展示了如何使用它們來解決多個DC/DC降壓穩(wěn)壓器問題。

IC使它看起來很容易，起初

降壓型 DC/DC （降壓）穩(wěn)壓器廣泛用于提供直流電源軌。一個典型的系統(tǒng)可能有幾十個這樣的電源軌，提供不同的電源軌電壓或在同一電壓下物理上分離的電源軌。這些降壓穩(wěn)壓器通常采用更高的電壓，通常在 5 到 36 伏直流電之間，并將其調(diào)節(jié)到幾或低兩位數(shù)安培的單伏值（圖 1）。

圖 1：DC/DC 穩(wěn)壓器（轉(zhuǎn)換器）的作用很簡單：采用可能來自電池或整流濾波交流線路的非穩(wěn)壓直流電源，并提供嚴格穩(wěn)壓的直流電源軌作為輸出。（圖片來源：電子診所）

在構(gòu)建基本的降壓穩(wěn)壓器時，有好消息也有壞消息。好消息是，構(gòu)建一個提供名義上"足夠好"性能的產(chǎn)品通常并不困難。有許多開關(guān)IC可用于完成大部分任務(wù)，只需要一個場效應(yīng)晶體管（FET）（或根本不需要）和一些無源元件即可完成這項工作。穩(wěn)壓器IC的數(shù)據(jù)手冊幾乎總是顯示一個典型的應(yīng)用電路，包括原理圖、電路板布局和BOM，其中可能提供元件供應(yīng)商名稱和部件號。

工程困境在于，對于一些不明顯的穩(wěn)壓器性能參數(shù)，"良好"的性能水平可能是不夠的。雖然輸出直流電源軌可以提供足夠的電流，并具有足夠的線路/負載調(diào)節(jié)和瞬態(tài)響應(yīng)，但這些因素只是電源軌故事的開始。

現(xiàn)實情況是，除了這些基本的績效標準外，監(jiān)管機構(gòu)還受到其他因素的評估，其中一些因素是由外部要求驅(qū)動的。大多數(shù)穩(wěn)壓器必須解決的三個關(guān)鍵問題不一定是顯而易見的，僅從接受非穩(wěn)壓直流輸入并提供穩(wěn)壓直流輸出的功能模塊的簡單角度來看。它們是（圖2）：

• 冷卻：高效率和相關(guān)的最小熱影響。* 安靜：低紋波可實現(xiàn)無差錯的系統(tǒng)性能，加上低 EMI，可滿足輻射噪聲標準（非聲學(xué)）。* 完整：一個集成的解決方案，可最大限度地減少規(guī)模、風(fēng)險、BOM、上市時間和其他"軟"問題。

DC/DC 穩(wěn)壓器必須做的不僅僅是提供穩(wěn)定的電源軌;它還必須涼爽高效，EMI“安靜”，功能完整。（圖片來源：Math.stackexchange.com;作者修改）*

解決這些問題會帶來一系列挑戰(zhàn)，解決這些問題可能會成為一種令人沮喪的經(jīng)歷。這符合"80/20規(guī)則"，其中80%的努力用于完成最后20%的任務(wù)。更詳細地查看這三個因素：

Cool ：每個設(shè)計師都想要高效率，但究竟有多高，成本是多少？答案是通常的：這取決于項目及其權(quán)衡。更高的效率很重要，主要有三個原因：

1. 它轉(zhuǎn)化為一種更冷卻的產(chǎn)品，可以提高可靠性，可以允許在更高的溫度下運行，可以消除對強制空氣（風(fēng)扇）冷卻的需要，或者如果可行，可以簡化有效的對流冷卻設(shè)置。在高端，可能需要將運行特別熱的特定組件保持在低于其最高允許溫度并在其安全操作區(qū)域內(nèi)。2. 即使這些熱因素不是問題，效率也會轉(zhuǎn)化為電池供電系統(tǒng)的更長運行時間或減輕上游AC-DC轉(zhuǎn)換器的負擔(dān)。3. 現(xiàn)在有許多監(jiān)管標準要求每類最終產(chǎn)品的特定效率水平。雖然這些標準沒有規(guī)定產(chǎn)品中單個導(dǎo)軌的效率，但設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)是確保整體總效率符合要求。當每個供電軌的 DC/DC 穩(wěn)壓器效率更高時，這更容易，因為這在與其他供電軌和其他損耗源的總和中提供了裕量。

安靜 ：設(shè)計師關(guān)注的噪聲有兩大類。首先，DC/DC穩(wěn)壓器輸出端的噪聲和紋波必須足夠低，以免對系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利影響。隨著數(shù)字電路中的軌電壓降至低個位數(shù)，以及精密模擬電路，即使是幾毫伏的紋波也會降低性能，這一點越來越受到關(guān)注。

另一個主要問題與EMI有關(guān)。EMI發(fā)射有兩種類型：傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)輻射附著在連接到產(chǎn)品的電線和走線上。由于噪聲局限于設(shè)計中的特定端子或連接器，因此通過良好的布局和濾波器設(shè)計，通常可以在開發(fā)過程的相對較早階段確保符合傳導(dǎo)輻射要求。

然而，輻射發(fā)射更為復(fù)雜。電路板上承載電流的每個導(dǎo)體都會輻射電磁場：每塊電路板走線都是天線，每個銅平面都是鏡子。除純正弦波或直流電壓外，任何其他因素都會產(chǎn)生寬信號頻譜。

困難在于，即使經(jīng)過精心設(shè)計，設(shè)計人員在系統(tǒng)進行測試之前也永遠不會真正知道輻射發(fā)射會有多糟糕，并且在設(shè)計基本完成之前無法正式執(zhí)行輻射發(fā)射測試。濾波器用于通過使用各種技術(shù)在特定頻率或一定頻率范圍內(nèi)衰減電平來降低EMI。

通過空間輻射的一些能量通過使用金屬板作為磁屏蔽來衰減。位于印刷電路板走線（導(dǎo)通）上的低頻部分使用鐵氧體磁珠和其他濾波器進行控制。屏蔽有效，但帶來了一系列新的問題。它必須設(shè)計良好，具有良好的電磁完整性（通常非常困難）。它增加了成本，增加了空間，使熱管理和測試更加困難，并引入了額外的裝配成本。

另一種技術(shù)是減慢穩(wěn)壓器的開關(guān)邊沿。然而，這會產(chǎn)生降低效率、增加最小導(dǎo)通和關(guān)斷時間以及所需死區(qū)時間以及影響電流控制環(huán)路速度的不良影響。

還有一種方法是通過仔細選擇關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)來調(diào)整穩(wěn)壓器設(shè)計，以降低EMI輻射。平衡這些穩(wěn)壓器權(quán)衡的任務(wù)涉及評估開關(guān)頻率、占位面積、效率和產(chǎn)生的EMI等參數(shù)的相互作用。

例如，較低的開關(guān)頻率通常會降低開關(guān)損耗和EMI并提高效率，但需要更大的元件，并增加占位面積。對更高效率的追求伴隨著較低的最小導(dǎo)通和關(guān)斷時間，由于開關(guān)轉(zhuǎn)換更快，諧波含量更高。一般來說，開關(guān)頻率每增加一倍，EMI就會差6分貝（dB），假設(shè)所有其他參數(shù)（如開關(guān)容量和轉(zhuǎn)換時間）保持不變。寬帶EMI的行為類似于一階高通濾波器，當開關(guān)頻率增加10倍時，發(fā)射高出20 dB。

為了克服這個問題，經(jīng)驗豐富的印刷電路板設(shè)計人員將使穩(wěn)壓器的電流環(huán)路（“熱環(huán)路”）變小，并使用盡可能靠近有源層的屏蔽接地層。然而，引腳排列、封裝結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計要求以及去耦元件中充分儲能所需的封裝尺寸決定了一定的最小熱回路尺寸。

為了使布局問題更具挑戰(zhàn)性，典型的平面印刷電路板在 30 兆赫茲 （MHz） 以上的走線之間具有磁性或變壓器式耦合。這種耦合將減弱濾波工作，因為諧波頻率越高，不需要的磁耦合就越有效。

哪些標準是相關(guān)的？

EMI 領(lǐng)域沒有單一的指導(dǎo)標準，因為它在很大程度上取決于應(yīng)用和相關(guān)管理要求。其中引用最多的是EN55022，CISPR 22和CISPR 25。EN 55022是CISPR 22的改進衍生產(chǎn)品，適用于信息技術(shù)設(shè)備。該標準由歐洲電工標準化委員會CENELEC制定，負責(zé)電工工程領(lǐng)域的標準化。

這些標準很復(fù)雜，定義了測試程序、探頭、儀器、數(shù)據(jù)分析等。在標準定義的眾多限值中，B類輻射發(fā)射限值通常是設(shè)計人員最感興趣的。

完整 ：即使對設(shè)計情況相當了解，以正確的方式選擇和使用所需的支持組件也是一個挑戰(zhàn)。元件放置和規(guī)格、印刷電路板接地和走線以及其他因素的細微差異都會對性能產(chǎn)生不利影響。

建模和仿真是必要的，可以提供幫助，但很難表征與這些組件相關(guān)的寄生效應(yīng)，尤其是在其值發(fā)生變化時。此外，供應(yīng)商的變化（或首選供應(yīng)商的意外變更）可能會導(dǎo)致第二層或第三層參數(shù)值（如電感直流電阻（DCR））的微妙變化，這可能會產(chǎn)生重大和意想不到的后果。

此外，即使稍微重新定位無源元件或添加“再增加一個”，也會改變EMI情況并導(dǎo)致輻射超過允許的限值。

靜音切換器 μModules 解決了這些問題

預(yù)測和管理風(fēng)險是設(shè)計師工作的正常部分。減少這些風(fēng)險的數(shù)量和強度是標準的最終產(chǎn)品策略。解決方案是使用功能完整的 DC/DC 穩(wěn)壓器，通過良好的設(shè)計和實施，該穩(wěn)壓器涼爽、安靜且完整。使用已知器件可降低不確定性，同時解決尺寸、成本、EMI、BOM 和裝配風(fēng)險。這樣做還可以加快上市時間并減少法規(guī)遵從性焦慮。

By looking at a complete family of such regulators, such as the Silent Switcher μModules from Analog Devices, designers can choose a DC/DC regulator matched to the needed voltage and current rating, while being assured that EMI mandates will be met, size and cost will be known, and there will be no surprises.

These regulators incorporate much more than innovative schematics and topologies. Among the techniques they use are:

• Technique #1: The switching of the regulator acts as an RF oscillator/source and combines with the bond wires, which act as antennas. This turns the assembly into an RF transmitter with undesired energy that may exceed allowed limits (Figures 3, 4, and 5).

Figure 3: The bond wires from the IC die to the package function as miniature antennas and radiate undesired RF energy. (Image source: Analog Devices)

圖 4：靜音切換器組件首先用倒裝芯片技術(shù)替換鍵合線，從而消除了能量輻射導(dǎo)線。（圖片來源：ADI公司）

圖 5：倒裝芯片方法有效地消除了天線并最大限度地減少了輻射能量。（圖片來源：ADI公司）

• 技術(shù) #2：使用對稱輸入電容通過產(chǎn)生平衡的相反電流來限制 EMI（圖 6）。

圖 6：還增加了雙路鏡像輸入電容以約束 EMI。（圖片來源：ADI公司）

• 技術(shù)#3。最后，使用相反的電流環(huán)路來消除磁場（圖7）。

圖 7：電流環(huán)路方向相反的內(nèi)部布局也消除了不需要的磁場。（圖片來源：ADI公司）

這些靜音開關(guān) μModule 代表了降壓穩(wěn)壓器設(shè)計和封裝的演變，從帶有支持元件的 IC 到帶有集成電容器的 LQFN IC，再到帶有必要電容器和電感器的 μModule（圖 8）。

圖 8：通過在封裝中集成電容器和電感器，靜音開關(guān) μModules 是以 IC 為中心的開關(guān)穩(wěn)壓器發(fā)展的第三階段。（圖片來源：ADI公司）

廣泛的產(chǎn)品可滿足需求和權(quán)衡

靜音開關(guān) μModule 由許多單獨的單元組成，具有不同的輸入電壓范圍、輸出電壓軌和輸出電流額定值。例如，LTM8003是一款 3.4 至 40 V 輸入、3.3 V 輸出、3.5 A 連續(xù)（峰值為 6 A）μModule，符合 CISPR 25 5 類限制，但尺寸僅為 9 × 6.25 mm 和 3.32 mm 高（圖 9）。

圖 9：LTM8003 靜音開關(guān)穩(wěn)壓器是一款纖巧、獨立的封裝，可輕松滿足 CISPR 25 5 類峰值輻射能量限制（從 DC 到 1000 MHz）。 （圖片來源：ADI公司）

該器件采用符合故障模式影響分析 （FMEA） 標準的引腳排列 （LTM8003-3.3） 封裝，這意味著在相鄰引腳短路期間或引腳懸空時，輸出將保持在或低于調(diào)節(jié)電壓。典型靜態(tài)電流僅為 25 微安 （μA），H 級版本的額定工作溫度為 150°C。

DC2416A演示（演示）板可供設(shè)計人員使用穩(wěn)壓器并評估其應(yīng)用性能（圖 10）。

Figure 10: The DC2416A demo board simplifies connection with and evaluation of the LTM8003 Silent Switcher device. (Image source: Analog Devices)

兩個標稱上相似的靜音開關(guān)μModule系列成員LTM4657（3.1至20 V輸入;0.5至5.5 V @8 A輸出）和LTM4626（3.1至20 V輸入;12 A輸出時為0.6至5.5 V）顯示了該器件提供的權(quán)衡的性質(zhì)。[](https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/LTM4657EY-PBF/12385831)LTM4657 使用了一個比 LTM4626 更高值的電感器，因而允許其在較低頻率下工作以降低開關(guān)損耗。

LTM4657 是實現(xiàn)高開關(guān)損耗和低傳導(dǎo)損耗的更好解決方案，例如在負載電流較低和/或輸入電壓較高的應(yīng)用中。觀察 LTM4626 和 LTM4657 在相同的開關(guān)頻率下工作，以及相同的 12 V 輸入和 5 V 輸出，可以看出 LTM4657 具有出色的開關(guān)損耗（圖 11）。此外，其更高值的電感器可降低輸出電壓紋波。但是，LTM4626 能夠提供比 LTM4657 更大的負載電流。

圖 11：LTC4626 和 LTM4657 在 1.25 MHz 時的效率比較，在 DC2989A 演示板上具有相同的配置，顯示出適度但切實的差異。（圖片來源：ADI公司）

用戶可以使用 DC2989A 演示板評估 LTM4657 的性能 （圖 12），而對于需要評估 LTM4626 的用戶，可以使用DC2665A-A板 （圖 13）。[](https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/DC2989A/12168563)

圖 12：DC2989A 演示板旨在加快 LTM4657 靜音開關(guān)器的評估速度。（圖片來源：ADI公司）

！[ADI公司用于LTM4626靜音切換器模塊的DC2665A-A演示板的圖像]（file.elecfans.com/web2/M00/78/3C/pYYBAGNkzyKAOhn3AAAxuTr0QAM423.jpg“用于LTM4626靜音切換器模塊的ADI公司DC2665A-A演示板”）圖 13：對于 LTM4626 靜音切換器模塊，可以使用 DC2665A-A 演示板來方便練習(xí)和評估。（圖片來源：ADI公司）

靜音切換器μ模塊不限于單輸出模塊。例如，[LTM4628]（https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/LTM4628EV-PBF/2485833）是一款完整的雙通道8 A輸出開關(guān)DC/DC穩(wěn)壓器，可輕松配置為提供單路2相16 A輸出（圖14）。該模塊采用 15 mm × 15 mm × 4.32 mm LGA 封裝和 15 mm × 15 mm × 4.92 mm BGA 封裝。它包括開關(guān)控制器、功率 FET、電感器和所有支持組件。

[！[ADI公司LTM4628雙輸出、每通道8 A開關(guān)DC/DC穩(wěn)壓器示意圖（點擊放大）]（https://www.digikey.com/-/media/Images/Article%20Library/TechZone%20Articles/2022/October/How%20to%20Address%20DC-DC%20Noise%20Efficiency%20and%20Layout%20Issues/article-2022october-how-to-address-dcdc-noise-fig14.jpg?la=en&ts=a3a95dcd-d9bd-470d-9140-b67e7ea36fc7“ADI公司LTM4628雙輸出，每通道8 A開關(guān)DC/DC穩(wěn)壓器 （單擊以enlarge）“）]（https://www.digikey.com/-/media/Images/Article%20Library/TechZone%20Articles/2022/October/How%20to%20Address%20DC-DC%20Noise%20Efficiency%20and%20Layout%20Issues/article-2022october-how-to-address-dcdc-noise-fig14_fullsize.jpg?la=en&ts=45d15786-62cb-402c-9e7d-bc2864f6b5e5）*圖 14：LTM4628 可配置為雙輸出、每通道 8 A 開關(guān) DC/DC 穩(wěn)壓器，或配置為單輸出、16 A 輸出配置。（圖片來源：ADI公司）*

該模塊可在 4.5 至 26.5 V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，并支持由單個外部電阻器設(shè)置的 0.6 至 5.5 V 輸出電壓范圍。用戶可以使用[DC1663A]（https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/DC1663A/2674262）演示板研究其作為單輸出或雙輸出器件的性能（圖 15）。

！[ADI公司DC1663A演示板的圖像]（https://www.digikey.com/-/media/Images/Article%20Library/TechZone%20Articles/2022/October/How%20to%20Address%20DC-DC%20Noise%20Efficiency%20and%20Layout%20Issues/article-2022october-how-to-address-dcdc-noise-fig15.jpg?la=en&ts=5312312f-bdb9-4797-aefd-a7613275e540“ADI公司DC1663A演示板”）*圖 15：單路/雙輸出 LTM4628 的評估速度通過使用其 DC1663A演示板加速。（圖片來源：ADI公司）*

結(jié)論

使用可用的 IC，設(shè)計一個正常工作的 DC/DC 穩(wěn)壓器相當容易。然而，設(shè)計一個同時具有效率、功能完整且滿足各種令人困惑和嚴格的監(jiān)管機構(gòu)要求的穩(wěn)壓器則不然。ADI公司的靜音切換器μ模塊簡化了設(shè)計過程。它們通過滿足冷卻高效運行、EMI 輻射低于允許限值和直接完整性的目標來消除風(fēng)險。