作者：Bill Schweber

　　具有高電流要求的數(shù)字IC，如FPGA和ASIC，越來越成為汽車、醫(yī)療、電信、工業(yè)、游戲和消費(fèi)類音頻/視頻等嵌入式系統(tǒng)的中心。其中許多應(yīng)用都是關(guān)鍵任務(wù)，如汽車駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)，以及高可靠性，如數(shù)據(jù)中心。

　　除了電流要求外，這些低壓器件的電源軌也有嚴(yán)格的容差規(guī)格。以高效、精度、快速瞬態(tài)性能、穩(wěn)定性和低噪聲提供這種功率對(duì)于系統(tǒng)性能和完整性至關(guān)重要。

　　傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓器控制器和電源子系統(tǒng)存在潛在的噪聲問題，包括輸出軌以及輻射電磁干擾(EMI)和射頻干擾(RFI)、瞬態(tài)響應(yīng)不足和布局限制。為了最大限度地降低噪聲，一些應(yīng)用使用小型、安靜的低壓差(LDO)穩(wěn)壓器，與早期的LDO相比，這些穩(wěn)壓器的效率更高。然而，即使是這些LDO通常也無法滿足系統(tǒng)效率要求，從而導(dǎo)致散熱問題。

　　LDO的有效替代方案是開關(guān)穩(wěn)壓器，但由于其時(shí)鐘和開關(guān)功能，這些器件固有地具有更高的噪聲。如果設(shè)計(jì)人員要充分利用這些開關(guān)器件，就需要降低這種噪聲。

　　幸運(yùn)的是，有一些新的方法可以平衡噪聲與效率。本文著眼于電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的最新創(chuàng)新，這些創(chuàng)新具有高效率和最小的空間要求，以及大大降低的開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲。它探討了創(chuàng)新型開關(guān)穩(wěn)壓器如何滿足個(gè)位數(shù)電壓、低于 10 安培 (A) 范圍內(nèi)的負(fù)載的多個(gè)目標(biāo)，并介紹了微型靜音開關(guān) IC LTC33xx 家庭來自 ADI公司 作為例子。

　　電流/電壓要求

　　當(dāng)晶體管和IC在20下半年發(fā)明和推進(jìn)時(shí)千 世紀(jì)，它們的眾多優(yōu)點(diǎn)之一是，與它們所取代的真空管相比，它們的每功能功率要求非常低——很容易達(dá)到 100 倍或更多。然而，這一進(jìn)步很快導(dǎo)致每個(gè)器件和電路板的功能密度更高，以至于IC現(xiàn)在每個(gè)電源軌需要數(shù)十安培，并且通常在多個(gè)電源軌上。

　　需要這些高電流的IC包括現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和專用IC(ASIC)，這些電流最終必須以熱量的形式耗散大量相關(guān)功率。兩者都廣泛用于整個(gè)電子行業(yè)的嵌入式設(shè)備，包括汽車、醫(yī)療、工業(yè)、通信、游戲和消費(fèi)類音頻/視頻設(shè)備。

　　FPGA 或 ASIC 所需的電流可以通過線路供電設(shè)備的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器或電池供電設(shè)備的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供。無論哪種情況，都需要一個(gè)后續(xù)的DC/DC降壓(降壓)穩(wěn)壓器，以在所需的電流水平下為負(fù)載提供和管理個(gè)位數(shù)的電源軌電壓。

　　提供必要電源的一種方法是使用單個(gè) DC/DC 降壓穩(wěn)壓器來支持所有電路板設(shè)備，并將其放置在印刷電路板的側(cè)面或角落，以幫助管理散熱問題并簡化 DC/DC 系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)。

　　但是，這種聽起來簡單的解決方案有其問題：

　　首先，由于距離和高電流水平(ΔV壓降=負(fù)載電流I×走線電阻(R))，穩(wěn)壓器和負(fù)載之間不可避免地存在IR壓降。解決方案是增加印刷電路板走線寬度或厚度或使用立式母線，但這些使用寶貴的電路板空間并增加物料清單 (BOM)。

　　克服IR壓降的一種技術(shù)是使用負(fù)載電壓的遙感，但這僅適用于單點(diǎn)非分散負(fù)載。它還帶來了潛在的振蕩新問題，因?yàn)檩^長的電源軌和檢測(cè)引線的電感會(huì)影響穩(wěn)壓器和電源軌的瞬態(tài)性能。

　　最后，也是通常最難管理的問題，較長的電源軌也會(huì)受到更多的EMI/RFI噪聲拾取的影響，或者可以有效地沿其長度輻射噪聲，從而充當(dāng)天線。該解決方案通常需要額外的旁路電容、直插式鐵氧體磁珠和其他措施。根據(jù)其幅度和頻率，這種噪聲會(huì)對(duì)負(fù)載的可靠運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，并使?jié)M足噪聲排放的各種法規(guī)要求變得具有挑戰(zhàn)性。

　　噪聲與效率難題

　　需要注意的是，DC/DC穩(wěn)壓器的“噪聲與效率”難題與工程設(shè)計(jì)中的通常權(quán)衡不同。這種情況通常是關(guān)于評(píng)估權(quán)衡并找到平衡有利和不利屬性的“最佳點(diǎn)”。

　　這種情況有何不同?大多數(shù)權(quán)衡方案允許設(shè)計(jì)人員故意接受較少的某個(gè)所需參數(shù)值，以換取更多的另一個(gè)參數(shù)值，沿著一系列權(quán)衡進(jìn)行(圖 1，上半部分)。

　　圖 1：大多數(shù)設(shè)計(jì)情況允許工程師評(píng)估，然后沿著相當(dāng)連續(xù)的路徑(上)進(jìn)行各種性能權(quán)衡，但對(duì)于開關(guān)穩(wěn)壓器與 LDO 的噪聲/效率，設(shè)計(jì)最終位于一側(cè)或另一側(cè)，幾乎沒有“中間地帶”(下)。(圖片來源：Bill Schweber)

　　例如，設(shè)計(jì)人員可以選擇一個(gè)吸收更多電流(壞)的運(yùn)算放大器(op-amp)，以便提供比另一個(gè)運(yùn)算放大器更高的壓擺率(良好);在應(yīng)用程序中進(jìn)行權(quán)衡是可以接受或必要的。

　　然而，對(duì)于開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO，它們的噪聲和效率屬性在很大程度上“融入”了它們的結(jié)構(gòu)中。例如，設(shè)計(jì)人員不能說他們會(huì)接受噪聲增加20%的LDO，以換取效率提高10%——這種權(quán)衡并不存在。相反，屬性權(quán)衡范圍存在差距(圖 1，下半部分)。

　　靜音開關(guān)穩(wěn)壓器解決權(quán)衡難題

　　另一種通常更好的解決方案是使用盡可能靠近其負(fù)載 IC 的單個(gè) DC/DC 穩(wěn)壓器。這最大限度地減少了 IR 壓降、印刷電路板占用空間以及軌噪聲拾取和輻射。然而，要使這種方法可行，必須有小型、高效、低噪聲的穩(wěn)壓器，這些穩(wěn)壓器可以放置在負(fù)載旁邊，并且仍然滿足其所有電流要求。

　　這就是許多靜音開關(guān)穩(wěn)壓器解決問題的地方。這些穩(wěn)壓器不僅在幾安培至 10 A 的電流水平下提供個(gè)位數(shù)電壓輸出，而且噪聲極低，這是通過采用多種設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)的。

　　這些穩(wěn)壓器通過靜音開關(guān)1(第一代)和靜音開關(guān)2(第二代)器件改變了LDO與開關(guān)穩(wěn)壓器差距的傳統(tǒng)思維。這些設(shè)備的設(shè)計(jì)者確定了各種噪聲源，并設(shè)計(jì)了衰減每個(gè)噪聲源的方法。

　　請(qǐng)注意，靜音開關(guān)穩(wěn)壓器不使用眾所周知的合法“擴(kuò)頻”技術(shù)，即向時(shí)鐘信號(hào)添加偽隨機(jī)噪聲。這拓寬了噪聲頻譜，同時(shí)降低了其在時(shí)鐘頻率下的幅度和諧波。雖然使用擴(kuò)頻時(shí)鐘有助于滿足監(jiān)管限制，但它不會(huì)降低總噪聲能量，實(shí)際上可能會(huì)在頻譜中影響電路性能的部分產(chǎn)生一些噪聲。

　　靜音開關(guān) 1 器件的優(yōu)點(diǎn)包括低 EMI、高效率和高開關(guān)頻率，可將大部分剩余噪聲從頻譜部分移開，因?yàn)轭l譜會(huì)干擾系統(tǒng)運(yùn)行或存在監(jiān)管問題。靜音切換器 2 的優(yōu)勢(shì)包括靜音切換器 1 技術(shù)的所有功能以及集成精密電容器、更小的解決方案尺寸以及消除對(duì)印刷電路板布局的敏感性。

　　由于其小巧的外形尺寸(僅幾毫米(平方毫米)和效率，這些開關(guān)穩(wěn)壓器可以非常靠近負(fù)載FPGA或ASIC，從而最大限度地提高性能并消除數(shù)據(jù)手冊(cè)性能規(guī)格與使用現(xiàn)實(shí)之間的不確定性。它們改變了必須在接受更多噪聲或更低效率之間做出選擇的“二元”困境，使設(shè)計(jì)人員在噪聲和效率方面具有這兩種屬性的最佳優(yōu)勢(shì)。

　　這些靜音切換器的優(yōu)勢(shì)是如何實(shí)現(xiàn)的?它是通過采取多方面的方法完成的：

　　開關(guān)模式電源中噪聲的主要原因是開關(guān)電流，而不是穩(wěn)態(tài)電流。在傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，存在一條稱為熱回路的電流路徑。該熱回路不是一個(gè)獨(dú)立的電流環(huán)路，而只是一個(gè)由兩個(gè)實(shí)際電流環(huán)路的組件組成的虛擬電流環(huán)路(圖 2)。

　　圖 2：通常的開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)渚哂蟹Q為熱回路的虛擬電流環(huán)路;它由兩個(gè)實(shí)際電流回路的組件組成，并具有開關(guān)電流。(圖片來源：ADI公司)

　　ADI公司的靜音開關(guān)2技術(shù)通過在IC封裝中集成輸入電容，使關(guān)鍵熱回路盡可能小。此外，通過將熱回路分成兩個(gè)對(duì)稱的形狀，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)極性相反的磁場(chǎng)，并且輻射噪聲在很大程度上抵消了自身。

　　第二代架構(gòu)支持快速開關(guān)邊沿，可在高開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)高效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的EMI性能。內(nèi)部陶瓷電容器在直流輸入電壓(V在) 保持所有快速交流電流環(huán)路較小，從而提高 EMI 性能。

　　靜音開關(guān)電源架構(gòu)采用專有設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)，可在極高頻率下最大限度地提高效率，并實(shí)現(xiàn)超低 EMI 性能，通過使用高度緊湊和穩(wěn)健的設(shè)計(jì)輕松通過 CISPR 25 5 類峰值 EMI 限制。

　　使用有源電壓定位(AVP)是一種輸出電壓取決于負(fù)載電流的技術(shù)。輕負(fù)載時(shí)，輸出電壓被調(diào)節(jié)到標(biāo)稱值以上，而在滿載時(shí)，輸出電壓被調(diào)節(jié)到標(biāo)稱值以下。調(diào)整直流負(fù)載調(diào)整率以改善瞬態(tài)性能并降低輸出電容要求。

　　靜音切換器的眾多家族

　　靜音開關(guān)穩(wěn)壓器有多種系列和型號(hào)可供選擇，每個(gè)系列具有不同的電壓/電流額定值。一些額外的考慮因素因型號(hào)而異，例如固定輸出與可調(diào)輸出。LTC33xx 系列的各種成員包括：

　　LTC3307： 5 V、3 A 同步降壓靜音切換器，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝

　　LTC3308A： 5 V、4 A 同步降壓靜音切換器，采用 2 mm × mm LQFN 封裝

　　LTC3309A： 5 V、6 A 同步降壓靜音切換器，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝

　　LTC3310： 5 V、10 A 同步降壓靜音切換器 2 英寸 3 mm × 3 mm LQFN 封裝

　　更詳細(xì)地觀察LTC3310，這是一款非常小、低噪聲、單片式、降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，能夠從2.25至5.5V輸入電源提供高達(dá)10 A的輸出電流;五外 范圍為 0.5 伏至 V在.開關(guān)頻率范圍為 500 千赫茲 (kHz) 至高達(dá) 5 兆赫茲 (MHz)。它只需要幾個(gè)外部無源元件，在大部分輸出負(fù)載范圍內(nèi)的效率約為 90%(圖 3)。

　　圖 3：LTC3310 降壓型 DC/DC 穩(wěn)壓器需要外部有源組件，并在其大部分負(fù)載范圍內(nèi)提供了高效率。(圖片來源：ADI公司)

　　它有四個(gè)基本版本。這些器件在高達(dá) 5 MHz 的開關(guān)頻率下提供低 EMI 和高效率，并且 LTC3310 系列的某些版本符合 AEC-Q100 汽車級(jí)認(rèn)證。請(qǐng)注意，第一代 (SS1) 器件 — LTC3310 — 和第二代 (SS2) 器件 —LTC3310S 和 LTC3310S-1—可作為可調(diào)輸出和固定輸出設(shè)備提供(表 1)：

　　表 1： LTC3310 提供四種基本版本，代表第一代和第二代設(shè)計(jì)，以及固定和可調(diào)輸出。(圖片來源：ADI公司)

　　對(duì)于可調(diào)版本，輸出電壓通過輸出和反饋 (FB) 引腳之間的電阻分壓器進(jìn)行硬編程，使用簡單的公式來確定正確的電阻值(圖 5)。

　　圖 5：建立可調(diào) LTC3310 器件的輸出電壓只需要一個(gè)基于簡單公式的基本電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)。(圖片來源：ADI公司)

　　噪音水平通常在幾十微伏。LTC3310 器件低噪聲性能的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是按照相關(guān)的 CISPR25 5 類峰值限值進(jìn)行的噪聲測(cè)試。其中包括傳導(dǎo)噪聲(圖6)以及水平和垂直平面的輻射噪聲(圖7)。

　　圖 6：基于 LTC3310S 的合理排列的穩(wěn)壓器滿足嚴(yán)格的 CISPR25 傳導(dǎo) EMI 輻射 (具有 5 類峰值)限值。(圖片來源：ADI公司)

　　圖 7：對(duì)于輻射發(fā)射測(cè)試，LTC3310S 同時(shí)滿足 CISPR25 規(guī)定的水平面(左)和垂直(右)平面 EMI 要求。(圖片來源：ADI公司)

　　LTC3310 系列的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是器件可輕松并聯(lián)用于多相較高電流操作，這是許多其他開關(guān)穩(wěn)壓器不支持或僅難以支持的特性。最簡單的并聯(lián)是兩相操作，產(chǎn)生高達(dá) 20 A 的電流(圖 8)。該方法可以很容易地?cái)U(kuò)展到三相、四相或更多相，以及相應(yīng)的更高電流。

　　圖 8：利用幾個(gè)額外的組件，可以組合兩個(gè)或多個(gè) LTC3310 器件以實(shí)現(xiàn)多相更高電流操作;顯示的是兩相/20 A 配置。(圖片來源：ADI公司)

　　評(píng)估板縮短設(shè)計(jì)周期

　　LTC3310 器件等穩(wěn)壓器在其應(yīng)用中是直接的，因?yàn)樗鼈儧]有初始化寄存器、軟件控制功能或其他設(shè)置復(fù)雜性。盡管如此，在提交最終布局或 BOM 細(xì)節(jié)之前，能夠評(píng)估其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能并優(yōu)化無源元件值在技術(shù)上是有意義的。LTC3310 評(píng)估板的可用性使此過程變得更加容易。ADI公司提供一系列與不同LTC3310版本和配置相匹配的此類電路板：

　　這 DC3042A 支持可調(diào)輸出 LTC3310 器件(圖 9)。

　　圖 9：DC3042A 評(píng)估板專為具有用戶可設(shè)置輸出電壓的 LTC3310 而設(shè)計(jì)。(圖片來源：ADI公司)

　　除了指導(dǎo)用戶進(jìn)行基本設(shè)置和操作外，文檔還包括原理圖、電路板布局和物料清單 (BOM)。它還調(diào)用了各種測(cè)試點(diǎn)和連接，以及用于測(cè)量輸出紋波和階躍響應(yīng)的探測(cè)布置(圖 10)。

　　圖 10：DC3042A 用戶演示手冊(cè)清楚地列出了測(cè)試點(diǎn)和連接(頂部)，以及用于測(cè)量輸出紋波和階躍響應(yīng)的探測(cè)設(shè)置和配置。(圖片來源：ADI公司)

　　對(duì)于具有固定輸出電壓的 LTC3310S-1，具有 DC3021A 評(píng)估板(圖 11)。

　　圖 11：對(duì)于輸出電壓不向用戶可調(diào)的 LTC3310S-1，DC3021A 評(píng)估板是合適的選擇。(圖片來源：ADI公司)

　　最后，對(duì)于稍微復(fù)雜的多相并聯(lián)安排，有 DC2874A-C (圖12)。該評(píng)估板的LTC3310S用作多相2.0 MHz、3.3至1.2V降壓穩(wěn)壓器。DC2874A 具有三種構(gòu)建選項(xiàng)，可提供兩相/20 A、三相/30 A 或四相/40 A 輸出解決方案。

　　圖 12：LTC3310S 的 DC2874A-C 評(píng)估板具有三種構(gòu)建選項(xiàng)：兩相/20 A、三相/30 A 或四相/40 A 輸出。(圖片來源：ADI公司)

　　通過使用 LTC3310S 并在適當(dāng)?shù)脑u(píng)估板及其相應(yīng)的用戶手冊(cè)上投入一些時(shí)間，設(shè)計(jì)人員可以最大限度地減少花在 DC/DC 穩(wěn)壓器性能上的時(shí)間。

　　結(jié)論

　　傳統(tǒng)上，工程師必須在兩種相互沖突的DC/DC穩(wěn)壓器拓?fù)渲g進(jìn)行選擇，這些拓?fù)渚哂忻黠@相反的屬性。LDO 提供非常低噪聲的直流輸出，但效率低到中等，使其成為超出約 1 A 輸出的熱挑戰(zhàn)。相比之下，開關(guān)穩(wěn)壓器的效率在90%范圍內(nèi)，但會(huì)增加直流輸出軌的噪聲，并且也是傳導(dǎo)(尤其是輻射)噪聲的來源，很容易導(dǎo)致產(chǎn)品無法通過強(qiáng)制性監(jiān)管測(cè)試。

　　幸運(yùn)的是，ADI公司的靜音開關(guān)系列采用各種創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)，克服了這種“二選一”的困境，從而開發(fā)出高效、極低噪聲、微型穩(wěn)壓器選項(xiàng)。