通過(guò)降低電源中的電容要求，克服MLCC短缺問(wèn)題

全球多層陶瓷電容器（MLCC）的供應(yīng)跟不上需求。這在很大程度上是由于手機(jī)的電子復(fù)雜性增加，電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量增加以及電子內(nèi)容在各行各業(yè)的全球擴(kuò)張。一些智能手機(jī)在幾年內(nèi)將MLCC的使用量翻了一番;電動(dòng)汽車(chē)的使用率是典型的現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的四倍（圖 1）。2016年底出現(xiàn)的MLCC供應(yīng)短缺使得獲得最新電子產(chǎn)品中使用的多產(chǎn)電源所需的大容量產(chǎn)品（幾十μF或更多）變得特別困難。希望降低MLCC要求的制造商不可避免地會(huì)關(guān)注電源的電容器要求，尤其是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。這使電源設(shè)計(jì)人員處于緩解電容短缺的第一線(xiàn)。

（一）。

（二）。

圖1.全球MLCC在電動(dòng)汽車(chē)（a）和手機(jī)（b）中的使用量增加，而產(chǎn)量卻沒(méi)有相應(yīng)增加，導(dǎo)致短缺。1

電源電路使用電容器，很多電容器

典型的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器使用以下電容（見(jiàn)圖2）：

輸出電容：在負(fù)載瞬變期間平滑輸出電壓紋波和電源負(fù)載電流。通常，使用尺寸為幾十μF至100μF的大電容器。

輸入電容：除了穩(wěn)定輸入電壓外，它還起到瞬時(shí)提供輸入電流的作用。通常，使用幾μF到幾十μF。

旁路電容器：吸收開(kāi)關(guān)操作產(chǎn)生的噪聲和其他電路的噪聲。通常使用 0.01 μF 至 0.1 μF。

補(bǔ)償電容器：它確保反饋環(huán)路中的相位裕量并防止振蕩。通常使用幾百pF或幾十nF。一些開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC集成了補(bǔ)償電容。

圖2.典型降壓穩(wěn)壓器中使用的電容器。

減小電容的最佳方法是專(zhuān)注于最小化輸出電容。接下來(lái)探討降低輸出電容的策略，然后是降低旁路電容要求的解決方案，并在一定程度上降低輸入電容的要求。

提高開(kāi)關(guān)頻率以降低輸出電容

圖3a顯示了一個(gè)典型的電流模式降壓轉(zhuǎn)換器框圖，陰影區(qū)域表示反饋環(huán)路和補(bǔ)償電路。

（一）。

（二）。

圖3.典型降壓穩(wěn)壓器（a）和典型反饋特性（b）的框圖。

反饋環(huán)路的特性如圖3b所示。環(huán)路增益為0 dB（增益= 1）時(shí)的頻率稱(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)越好。例如，圖4顯示了支持負(fù)載電流從1 A快速增加到5 A的穩(wěn)壓器的負(fù)載階躍響應(yīng)。結(jié)果顯示，交越頻率為20 kHz和50 kHz，分別產(chǎn)生60 mV和32 mV壓差。

圖4.比較降壓穩(wěn)壓器在兩個(gè)交越頻率下的負(fù)載階躍響應(yīng)。

從表面上看，增加交越頻率似乎是一個(gè)簡(jiǎn)單的選擇：通過(guò)最小化輸出電壓降來(lái)改善負(fù)載階躍響應(yīng)，從而可以減少輸出電容。然而，提高分頻頻率帶來(lái)了兩個(gè)問(wèn)題。首先，必須確保反饋環(huán)路有足夠的相位裕量以防止振蕩。通常，在交越頻率處需要45°或更大（最好是60°或更大）的相位裕量。

另一個(gè)問(wèn)題是開(kāi)關(guān)頻率（f西 南部） 和 fc.如果它們的大小相似，負(fù)反饋會(huì)響應(yīng)輸出電壓紋波，從而威脅到穩(wěn)定運(yùn)行。作為指導(dǎo)原則，將交越頻率設(shè)置為開(kāi)關(guān)頻率的五分之一（或更低），如圖5所示。

圖5.如果開(kāi)關(guān)頻率和控制環(huán)路交越頻率太近，負(fù)反饋可能會(huì)響應(yīng)輸出電壓紋波。交越頻率最好保持在開(kāi)關(guān)頻率的五分之一以下。

為了提高交越頻率，還必須提高開(kāi)關(guān)頻率，這反過(guò)來(lái)又會(huì)導(dǎo)致頂部和底部FET的開(kāi)關(guān)損耗增加，從而降低轉(zhuǎn)換效率并產(chǎn)生額外的熱量。電容的任何節(jié)省都會(huì)被額外的散熱組件的復(fù)雜性所抵消：翅片、風(fēng)扇或額外的電路板空間。

是否可以在高頻操作下保持高效率？答案是肯定的。許多線(xiàn)性功率?ADI公司的穩(wěn)壓器IC通過(guò)集成獨(dú)特的FET控制來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，即使在較高的開(kāi)關(guān)頻率下也能保持高效率（圖6）。

圖6.線(xiàn)性穩(wěn)壓器的功率與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的比較。在典型的穩(wěn)壓器中，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率上升時(shí)，效率會(huì)下降。ADI線(xiàn)性穩(wěn)壓器電源可在非常高的工作頻率下保持高效率，從而支持使用較小值的輸出電容。

例如，LT8640S 6 A輸出降壓穩(wěn)壓器在2 MHz頻率（12 V輸入和5 V輸出）下工作時(shí)，在整個(gè)負(fù)載范圍（0.5 A至6 A）內(nèi)保持90%以上的效率。

該穩(wěn)壓器還通過(guò)降低電感電流紋波 （ΔIL），進(jìn)而降低輸出紋波電壓 （ΔV外），如圖 7 所示。同樣，也可以使用更小的電感。

圖7.提高開(kāi)關(guān)頻率以減小電容器和電感器的尺寸。

開(kāi)關(guān)頻率越高，交越頻率可以提高，從而改善負(fù)載階躍響應(yīng)和負(fù)載調(diào)整率，如圖8所示。

圖8.開(kāi)關(guān)頻率的提高可改善負(fù)載階躍響應(yīng)。

靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器顯著降低旁路電容

如何降低旁路電容？旁路電容器的主要作用是吸收開(kāi)關(guān)操作本身產(chǎn)生的噪聲。如果以其他方式降低開(kāi)關(guān)噪聲，則可以減少旁路電容器的數(shù)量。實(shí)現(xiàn)此目的的一種特別簡(jiǎn)單的方法是使用靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。?

靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器如何降低開(kāi)關(guān)噪聲？開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器有兩個(gè)電流環(huán)路：頂部FET導(dǎo)通而底部FET關(guān)斷時(shí)（紅色環(huán)路）和頂部FET關(guān)斷而底部FET導(dǎo)通時(shí)（藍(lán)色環(huán)路），如圖9所示。熱回路承載完全開(kāi)關(guān)的交流電流，即從零切換到 I峰并回到零。它具有最高的交流和EMI能量，因?yàn)樗a(chǎn)生最強(qiáng)的變化磁場(chǎng)。

圖9.開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中的熱回路產(chǎn)生大部分輻射噪聲，因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。

壓擺率控制可用于通過(guò)減慢柵極信號(hào)的變化速率（降低di/dt）來(lái)抑制開(kāi)關(guān)噪聲。雖然可以有效抑制噪聲，但這會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，產(chǎn)生額外的熱量，特別是在前面描述的高開(kāi)關(guān)頻率下。壓擺率控制在某些條件下非常有效，ADI公司還提供具有此功能的解決方案。

靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可抑制熱回路產(chǎn)生的電磁噪聲，無(wú)需壓擺率控制。相反，它分裂了 V在引腳為兩端，允許將熱回路分成兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的熱回路。產(chǎn)生的磁場(chǎng)被限制在IC附近的區(qū)域，并在其他地方顯著降低，從而最大限度地減少輻射開(kāi)關(guān)噪聲（圖10）。

圖 10.獲得專(zhuān)利的靜音切換器技術(shù)。

LT8640S是該技術(shù)的第二代產(chǎn)品——靜音開(kāi)關(guān)2（圖11）——在IC中集成了輸入電容器。這確保了最大的噪聲抑制，無(wú)需在布局中仔細(xì)放置輸入電容。當(dāng)然，此功能也降低了MLCC的要求。另一個(gè)特性是擴(kuò)頻頻率調(diào)制，通過(guò)動(dòng)態(tài)改變開(kāi)關(guān)頻率來(lái)降低噪聲峰值。這些功能的結(jié)合使 LT8640S 能夠輕松清除汽車(chē)的 CISPR 25 5 類(lèi) EMC 標(biāo)準(zhǔn)（圖 12）。

圖 11.ADI公司的靜音開(kāi)關(guān)2技術(shù)將輸入電容引入IC內(nèi)，從而簡(jiǎn)化布局并改善噪聲抑制。

圖 12.靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 2 器件（如 LT8640S）中的噪聲抑制功能組合，即使在降低輸入和旁路電容的同時(shí)，也可以輕松清除 CISPR 25 5 類(lèi)峰值限值。

結(jié)論

ADI線(xiàn)性器件的電源有助于降低MLCC要求，幫助設(shè)計(jì)人員克服MLCC短缺的問(wèn)題。通過(guò)使用高頻操作來(lái)降低輸出電容要求，同時(shí)保持異常高效率。采用靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器架構(gòu)的器件可顯著抑制 EMI 噪聲，從而降低旁路電容器要求。靜音切換器 2 器件進(jìn)一步降低了 MLCC 需求。

審核編輯：郭婷