高轉(zhuǎn)換率,符合CISPR 5類電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)的Silent Switcher(穩(wěn)壓器)

當(dāng)設(shè)計(jì)中需要優(yōu)先考慮并盡可能減少EMI（電磁干擾）時(shí)，線性穩(wěn)壓器可以算得上一種低噪聲解決方案，但考慮到散熱和效率要求其并不適用于該種場(chǎng)景，反而需要選擇開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。即使在對(duì)EMI敏感的應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通常也是輸入電源總線上的第一個(gè)有源元件，無(wú)論下游變換器如何，它都會(huì)顯著影響整個(gè)轉(zhuǎn)換器的EMI性能。到目前為止，還沒(méi)有明確的途徑來(lái)確?？梢酝ㄟ^(guò)電源IC的選取可以抑制EMI并達(dá)到效率要求。LT8614 Silent Switcher?穩(wěn)壓器現(xiàn)在做到了這一點(diǎn)。

與當(dāng)前先進(jìn)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器相比，LT8614可將EMI降低20dB以上。相比之下，它在30MHz以上的頻率范圍內(nèi)將EMI降低了10倍的同時(shí)，并未影響等效電路板區(qū)域的最小導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間或效率。它無(wú)需額外的元件或屏蔽即可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，代表開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的一個(gè)重大突破。

改善EMI問(wèn)題的新方案

解決EMI(電磁干擾)問(wèn)題的可靠方法是對(duì)整個(gè)電路使用屏蔽盒。當(dāng)然，這會(huì)大大增加所需的電路板空間、元件和裝配成本，同時(shí)增加熱管理和測(cè)試的復(fù)雜度。另一種方法是減緩開(kāi)關(guān)邊緣的速度。但這會(huì)導(dǎo)致效率降低、增加最小導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間及其相關(guān)死區(qū)時(shí)間等不良影響，并影響潛在的電位電流控制環(huán)路速度。

LT8614 Silent Switcher穩(wěn)壓器在不使用屏蔽盒的情況下達(dá)到了所需的效果（見(jiàn)圖1）。LT8614的IQ低至2.5μA，在無(wú)負(fù)載的情況下進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，器件消耗的總電源電流為2.5μA，這對(duì)始終開(kāi)機(jī)的系統(tǒng)非常重要。

圖1 LT8614 Silent Switcher可充分降低EMI/EMC輻射，同時(shí)在高達(dá)3MHz的頻率下實(shí)現(xiàn)高效率（轉(zhuǎn)換）

其超低壓差僅受內(nèi)部頂端開(kāi)關(guān)的限制。與其它解決方案不同，LT8614的VIN-VOUT（輸入輸出電壓）限制不受最大占空比和最小關(guān)斷時(shí)間的限制。如圖6所示，該器件在出現(xiàn)壓降時(shí)會(huì)跳過(guò)關(guān)斷周期，以保持內(nèi)部頂端開(kāi)關(guān)升壓級(jí)電壓持續(xù)穩(wěn)定，。

同時(shí)，典型最小工作輸入電壓僅為2.9V（最大為3.4V），使其能夠在降壓狀態(tài)下提供3.3V的電壓。由于LT8614的總開(kāi)關(guān)電阻較低，在大電流情況下，其效率高于同類器件。

LT8614(的工作頻率)可以和200kHz至3MHz的外部工作頻率同步。由于交流開(kāi)關(guān)損耗較低，因此它可以在高開(kāi)關(guān)頻率下以最低的損耗工作。在對(duì)EMI敏感的應(yīng)用比如很多汽車(chē)環(huán)境中常見(jiàn)的應(yīng)用中，達(dá)到一個(gè)良好的平衡，并且LT8614可以在AM頻段以下工作以達(dá)到更低的EMI，或者也可以在AM頻段以上工作。在具有700kHz工作開(kāi)關(guān)頻率的設(shè)置中，標(biāo)準(zhǔn)的LT8614演示板在CISPR25的5級(jí)測(cè)量中均未超過(guò)本底噪聲。

圖2顯示了在12V輸入電壓、3.3V輸出電壓、2A電流、固定開(kāi)關(guān)頻率為700kHz的電波暗室中進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。為了比較LT8614 Silent Switcher技術(shù)與另一款當(dāng)前先進(jìn)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，將該產(chǎn)品與LT8610進(jìn)行對(duì)比測(cè)量（見(jiàn)圖3）。在GTEM室中，對(duì)兩個(gè)器件的標(biāo)準(zhǔn)演示板使用相同的負(fù)載、輸入電壓和相同電感進(jìn)行了測(cè)試。

圖2 LT8614板在電波暗室中符合CISPR25輻射標(biāo)準(zhǔn)。本底噪聲與LT8614的電磁輻射騷擾相當(dāng)

圖3 LT8614與LT8610的電磁輻射騷擾進(jìn)行比較

可以發(fā)現(xiàn)，與LT8610已經(jīng)很不錯(cuò)的EMI性能相比，使用LT8614 Silent Switcher技術(shù)還能再改善20dB，特別是在更加難以管理的高頻范圍。

在時(shí)域中，LT8614在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)邊緣的性能良好，如圖4和圖5所示。即使在4ns/div時(shí)，LT8614Silent Switcher穩(wěn)壓器的振鈴也非常小。如圖4所示，相比之下LT8610具有良好的振鈴抑制能力，但與LT8614（圖4）相比，可以看到它在熱回路中存儲(chǔ)的能量更高

圖4 LT8614 Silent Switcher和LT8610的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上升沿的比較

圖5顯示了13.2V輸入電壓下的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以及LT8614如何在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)近乎理想的方波。圖4、圖5和圖6中的所有時(shí)域測(cè)量均使用500MHz Tektronix P6139A的探頭，探頭尖端屏蔽緊密連接至PCB的 GND平面。兩個(gè)器件都使用了現(xiàn)成的演示板。

圖5 T8614近乎理想的方波開(kāi)關(guān)波形實(shí)現(xiàn)了低噪聲操作

LT861x系列的絕對(duì)最大輸入電壓額定值為42V，這對(duì)于汽車(chē)和工業(yè)環(huán)境非常重要。而在汽車(chē)應(yīng)用中壓降性能與其（最大輸入電壓額定值）同樣重要。通常，在冷啟動(dòng)情況下，必須支持關(guān)鍵的3.3V邏輯電源。在這種情況下，LT8614 Silent Switcher穩(wěn)壓器保持了LT861x系列近乎理想的性能表現(xiàn)。如圖6所示，LT8610/11/14器件沒(méi)有采用替代部件的較高欠壓鎖定電壓和最大占空比箝位功能，而是降至3.4V運(yùn)行，并在必要時(shí)開(kāi)始跳周期。這就會(huì)產(chǎn)生比較理想的壓降性能，如圖7所示。

圖6 LT8614和LT8610的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的壓降性能

圖7 LT8614壓降性能。與其他LT861x器件一樣，它的工作電壓低至3.4V，并在必要時(shí)開(kāi)始跳周期

LT8614的最低導(dǎo)通時(shí)間為30ns，即使在高開(kāi)關(guān)頻率下也能實(shí)現(xiàn)較大的降壓比。因此，它可以在輸入電壓高達(dá)42V的情況下，通過(guò)一次降壓提供邏輯核心電壓。

結(jié)論

眾所周知，為了在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成時(shí)能夠通過(guò)電磁干擾測(cè)試，在變換器初始設(shè)計(jì)階段就需要慎重考慮電磁干擾問(wèn)題。LT8614 Silent Switcher穩(wěn)壓器可以通過(guò)選擇功率IC，確保成功可行的實(shí)現(xiàn)這一需求。LT8614將當(dāng)前先進(jìn)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的電磁干擾降低了20dB以上，即使提高轉(zhuǎn)換效率，也不需要額外的組件或額外的屏蔽。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和EMI

印刷電路板的布局設(shè)計(jì)確定了一個(gè)電源的功能、電磁干擾和熱行為，并決定了每一種電源設(shè)計(jì)的成敗。雖然開(kāi)關(guān)電源的布局不是一門(mén)魔法，但在最初的設(shè)計(jì)過(guò)程中，它往往會(huì)被忽視。由于必須滿足功能和電磁干擾的要求，有利于電源功能穩(wěn)定性的因素通常也有利于電磁干擾輻射。要知道，從一開(kāi)始就有良好的布局不僅不會(huì)增加成本，實(shí)際上還可以節(jié)約成本，并且不再需要更改EMI濾波器、機(jī)械屏蔽、EMI測(cè)試時(shí)間和PC板。

EMI發(fā)射有兩類：傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)發(fā)射通過(guò)電線和走線連接到產(chǎn)品。由于該噪聲局限于設(shè)計(jì)中的特定端子或連接器，因此通常在開(kāi)發(fā)過(guò)程早期可通過(guò)良好的布局和濾波器設(shè)計(jì)保證符合傳導(dǎo)輻射要求。

然而，輻射發(fā)射則是另一回事。電路板上任何承載電流的東西都會(huì)輻射電磁場(chǎng)。電路板上的每一條走線都是一根天線，每個(gè)銅層都是一個(gè)鏡子。除了純正弦波或直流電壓以外，任何其他東西都會(huì)產(chǎn)生較寬的信號(hào)頻譜。即使精心設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)人員在系統(tǒng)測(cè)試之前，也無(wú)法真正知道輻射發(fā)射情況會(huì)有多嚴(yán)重。輻射發(fā)射測(cè)試只有在設(shè)計(jì)基本完成后才能正式進(jìn)行。

濾波器通常會(huì)在一定頻率或在一定頻率范圍內(nèi)衰減信號(hào)強(qiáng)度來(lái)降低電磁干擾。通過(guò)添加金屬板作為磁屏蔽，可以衰減空間（輻射）的一部分能量。通過(guò)添加鐵氧體磁珠和其他濾波器抑制 PCB 走線（傳導(dǎo)）的低頻部分的能量。EMI無(wú)法消除，但可以衰減到其他通信和數(shù)字器件能夠接受的水平。此外，一些監(jiān)管機(jī)構(gòu)通過(guò)實(shí)施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確保合規(guī)。

采用表面安裝技術(shù)的現(xiàn)代輸入濾波器擁有比通孔器件更好的性能。但是，這種改善跟不上開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器工作頻率增加的步伐。更高的效率、較短的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間以及更快的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致諧波含量更高。所有其他參數(shù)（如開(kāi)關(guān)容量和轉(zhuǎn)換時(shí)間）保持不變時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率每增加一倍，EMI 便惡化6dB。如果開(kāi)關(guān)頻率增加10倍，寬帶EMI性能就會(huì)像一階高通濾波器一樣，輻射增加20dB。

精明的PCB設(shè)計(jì)人員會(huì)將熱環(huán)路變小，并讓屏蔽接地層盡可能靠近有源層。盡管如此，器件引腳排列、封裝結(jié)構(gòu)、散熱設(shè)計(jì)的需求以及在去耦元件中儲(chǔ)存充足能量所需的封裝尺寸都要求盡可能減小熱環(huán)路。在典型平面印刷電路板設(shè)計(jì)中更為復(fù)雜的是，由于頻率越高，不良的磁耦合或天線耦合就越顯著，因此走線之間高于30 MHz的磁性或變壓器式耦合會(huì)削弱所有濾波器的作用。

當(dāng)多個(gè)直流/直流開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器并聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)均流和更高的輸出功率時(shí)，潛在的干擾和噪聲問(wèn)題可能會(huì)變得更加嚴(yán)重。如果所有的穩(wěn)壓器都以類似的頻率工作（開(kāi)關(guān)），那么電路中多個(gè)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的綜合能量就會(huì)集中在該頻率及其諧波上。，對(duì)于PC板上的其他IC和其他系統(tǒng)板這種能量的存在可能會(huì)成為一個(gè)難以解決的問(wèn)題，器件間靠得很近，易受到這種輻射能量的影響。在汽車(chē)系統(tǒng)中，因元器件密集，且經(jīng)常與音頻、射頻、CAN總線以及各種接收系統(tǒng)靠得很近，這種問(wèn)題尤其令人擔(dān)憂。

關(guān)于作者

Tony Armstrong

Tony Armstrong是ADI公司Power by Linear產(chǎn)品部的業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)總監(jiān)。他負(fù)責(zé)電源轉(zhuǎn)換和管理產(chǎn)品從上市到停產(chǎn)的所有事務(wù)。加入ADI之前，Tony在凌力爾特、Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel擔(dān)任過(guò)營(yíng)銷、銷售和運(yùn)營(yíng)方面的不同職位。他擁有英國(guó)曼徹斯特大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)（榮譽(yù)）學(xué)士學(xué)位。Tony于2020年春季退休。

Christian Kueck

Christian Kueck是歐洲電源產(chǎn)品部的戰(zhàn)略營(yíng)銷經(jīng)理。他畢業(yè)于多特蒙德大學(xué)電子工程專業(yè)，主攻微電子領(lǐng)域，在該行業(yè)有25年的工作經(jīng)驗(yàn)。