靜音切換臺設備安靜而簡單

毋庸置疑，PC 板布局決定了每個電源設計的成敗。它設置功能、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，直到在設計過程中為時已晚。因此，從一開始就有一種行之有效的方法來減輕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)模式電源設計人員都熟悉開關(guān)模式電源的設計復雜性和細微差別，但許多公司中根本沒有足夠的設計人員來完成所有項目需求的所有設計。他們正在退休并離開這個行業(yè)！那么，這個問題是如何解決的呢？

首先，越來越多的數(shù)字設計人員被要求采用開關(guān)模式電源設計，如果沒有其他原因，就是沒有足夠的模擬電源設計人員來完成這項工作！雖然可以肯定地說，大多數(shù)數(shù)字設計人員都知道如何使用簡單的線性穩(wěn)壓器進行設計，但并非所有的電源要求都是降壓（降壓模式）。事實上，許多是升壓模式（升壓）甚至降壓-升壓拓撲（降壓和升壓模式相結(jié)合）。

顯然，許多電子系統(tǒng)制造商面臨的一個明顯問題是：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？

解決設計資源不足問題

在本演講過程中，我將介紹降壓穩(wěn)壓器工作的一些基礎知識，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問題，而沒有任何妥協(xié)。這還將包括靜默切換器設備的工作原理。

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，從而展示如何實現(xiàn)更高級別的靜音開關(guān)器件集成度。這些為那些在開關(guān)模式電源設計技術(shù)方面不成熟的用戶提供了簡單易用的解決方案。?

基本降壓穩(wěn)壓器電路

最基本的電源拓撲之一是降壓穩(wěn)壓器，如圖1所示。EMI從高di/dt環(huán)路開始。電源線以及負載線不應具有高交流電流含量。因此，輸入電容C2應將所有相關(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開路的導通周期中，交流電跟隨穩(wěn)定的藍色環(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，因為它具有最高的交流和EMI能量。

開關(guān)穩(wěn)壓器熱回路中的高di/dt和寄生電感會導致電磁噪聲和開關(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。如果我們能夠?qū)⒓t色虛線環(huán)路的PCB面積減小到零，并購買阻抗為零的理想電容器，問題就會得到解決。然而，在現(xiàn)實世界中，設計工程師必須找到一個最佳的折衷方案！

那么，所有這些高頻噪聲究竟是從哪里來的呢？在電子電路中，通過寄生電阻、電感和電容耦合的開關(guān)轉(zhuǎn)換會產(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。這可以通過減慢內(nèi)部開關(guān)驅(qū)動器或從外部添加緩沖器來實現(xiàn)。

然而，由于開關(guān)損耗增加，這會降低轉(zhuǎn)換器的效率，特別是當開關(guān)穩(wěn)壓器以2 MHz的高開關(guān)頻率運行時。 說到這一點，我們?yōu)槭裁匆? MHz運行？好吧，實際上有幾個原因：

它允許使用更?。ǔ叽纾┑耐獠吭珉娙萜骱?a target="_blank">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減半。

在汽車應用中，以2 MHz開關(guān)可將噪聲排除在AM無線電頻段之外。

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。還可以實現(xiàn)擴頻頻率調(diào)制（SSFM），這種技術(shù)使系統(tǒng)時鐘在已知范圍內(nèi)抖動。SSFM有助于通過EMI標準。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，但未增強的開關(guān)諧波仍可能違反AM頻段內(nèi)嚴格的汽車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，可以簡單地使用ADI的靜音切換器技術(shù)，因為它無需權(quán)衡即可滿足概述的所有要點：

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2.5 A的輸出電流。請注意，它只有一個輸入引腳 （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4 A的輸出電流）進行比較時，可以看到LT8614具有兩個V在引腳和兩個接地引腳位于封裝的另一側(cè)。這很重要，因為它是使其靜音切換的一部分！

如何使切換臺靜音

那么我們該如何做我們所做的事情呢？在V之間的芯片相對側(cè)放置兩個輸入電容在接地引腳將消除磁場?；脽羝型怀鲲@示了這一點，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 相對側(cè)的接地引腳。

LT8614 的更多細節(jié)

LT8614 集成了靜音切換器功能。有了它，我們能夠通過使用銅柱倒裝芯片封裝來降低寄生電感。此外，還有相反的V在、接地和輸入電容，以實現(xiàn)磁場消除（適用右手規(guī)則）以降低 EMI 輻射。

通過消除引線鍵合組裝技術(shù)的長鍵合線來降低封裝寄生電感，這種長鍵合線會產(chǎn)生寄生電阻和電感。來自熱回路的相反磁場相互抵消，電回路看不到凈磁場。

我們將 LT8614 靜音開關(guān)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓器與當前最先進的開關(guān)穩(wěn)壓器 LT8610 進行了比較。測試在GTEM單元中執(zhí)行，使用相同負載、相同輸入電壓和標準演示板上相同電感，用于兩個器件。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。這使得設計更簡單、更緊湊，與整體設計中的其他敏感系統(tǒng)相比，LT8614 開關(guān)電源需要更少的濾波和距離。此外，在時域中，LT8614在開關(guān)節(jié)點邊緣表現(xiàn)出非常良性的行為。

圖4.LT8614 輻射 EMI 性能通過了最嚴格的 CISPR 25 5 類限制。

靜默切換器設備的進一步增強

盡管LT8614具有令人印象深刻的性能，但我們并沒有停止嘗試改進其性能。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，同時在高達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)響應保持出色，輸出電壓紋波低于10 mV p-p-p，任何負載（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)導通時間為30 ns。

為了改善 EMI/EMC，LT8640 可在擴頻模式下工作。此功能通過 20% 的三角頻率調(diào)制來改變時鐘。當 LT8640 處于擴頻頻率調(diào)制模式時，使用三角頻率調(diào)制來改變開關(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LT8640編程為2 MHz時，頻率將在2 MHz至2.4 MHz之間變化，速率為3 kHz。選擇擴頻操作時，突發(fā)模式操作將被禁用，器件將以脈沖跳躍模式或強制連續(xù)模式運行。?

盡管如此，盡管我們在靜音開關(guān)數(shù)據(jù)手冊中進行了所有說明，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犯錯誤。此外， 我們的內(nèi)部工程師花費了太多時間來修復客戶的PCB布局.因此，我們的設計師為這個問題想出了一個絕妙的解決方案——靜音切換器 2 架構(gòu)。

靜音切換臺 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。因為它比1更“沉默”圣代！

圖5.LT8640S 是一款靜音開關(guān)穩(wěn)壓器 2 器件，具有更高級別的電容器集成度。

靜音切換器 2 技術(shù)可實現(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)容都集成在單個封裝中，為用戶提供簡單性、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)容實際上都集成在外部的幾個電容器和電阻器中。

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)勢將使您的開關(guān)模式電源設計更容易通過各種抗擾度標準，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時實現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換，對轉(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