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Monolithic Switching Regulator—When Everything Is on a Chip 作者：Frederik Dostal，ADI 現場應用工程師 開關穩壓器可以采用單片結構，也可以通過控制器構建。在單片式開關穩壓器中，各功率開關（一般是MOSFET）會集成在單個硅芯片中。使用控制器構建時，除了控制器IC，還必須單獨選擇半導體和確定其位置。選擇MOSFET非常耗費時間，且需要對開關的參數有一定了解。使用單片式設計時，設計人員無需處理這些問題。此外，相比高度集成的解決方案，控制器解決方案通常會占用更多的電路板空間。所以，毫不意外多年來人們越來越多地采用單片式開關穩壓器，如今，即使對于更高功率，ADI公司也有大量的解決方案可供選擇。圖1左側是單片式降壓轉換器，右側是控制器解決方案。 
圖1.單片式降壓轉換器（左）；帶外部開關的控制器解決方案（右） 雖然單片式解決方案需要的空間較少，也簡化了設計流程，但另一方面，控制器解決方案的優勢是更加靈活。設計人員可以為控制器解決方案選擇經過優化、適合特定應用的開關管，也可以控制開關管的柵級，所以能夠通過更巧妙地部署無源組件來影響開關邊沿。此外，控制器解決方案適合高功率，因為可以選擇大型分立式開關管，且開關損耗會遠離控制器IC。 但是，除了這些熟知的單片式解決方案的有利和不利因素之外，還有一個因素容易忽略。在開關穩壓器中，所謂的熱回路是實現低輻射的決定因素。在所有開關穩壓器中，應盡量優化EMC。實現優化的基本原則之一是：最小化各個熱回路中的寄生電感。在降壓轉換器中，輸入電容和高壓側開關之間的路徑，高壓側開關和低壓側開關之間的連接，以及低壓側開關和輸入電容之間的連接都是熱回路的一部分。它們都是電流路徑，其中的電流隨開關切換的速度而變化。通過快速的電流變化，因寄生電感形成電壓偏移，可以作為干擾耦合到不同的電路部分。
圖2.單片式開關穩壓器（左）和帶控制器IC的解決方案（右），每個都有一些不同形式的熱回路 所以，這些熱回路中的寄生電感必須保持盡可能低。圖2用紅色標出各熱回路路徑，左側為單片式開關穩壓器，右側為控制器解決方案。我們可以看到，單片式解決方案具有兩大優勢。一，其熱回路比控制器解決方案的熱回路小。二，高壓側開關和低壓側開關之間的連接路徑非常短，且只在硅芯片上完成走線。兩者相比，對于帶控制器IC的解決方案，連接的電流路徑必須通過封裝的寄生電感布線，通常采用的鍵合線和引線框架具有寄生電感。這會導致更高的電壓偏置，以及更差的EMC性能。 結論 因此，單片式開關穩壓器具備額外的，少為人知的EMI優勢。這種干擾有多強，對電路有什么影響，具體取決于許多其他參數。但是，就EMC性能而言，單片式開關穩壓器和帶控制器IC的解決方案之間存在差異，這一點值得考慮。 作者簡介 Frederik Dostal曾就讀于德國埃爾蘭根大學微電子學專業。他于2001年開始工作，涉足電源管理業務，曾擔任多種應用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了四年，負責開關模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑ADI公司擔任電源管理現場應用工程師。聯系方式：frederik.dostal@analog.com。 |
