|
來(lái)源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 構(gòu)建一款具有 10 V（典型值）或更低的電壓、大約 2 A 至 15 A 的適度電流水平的基本降壓型 DC/DC 穩(wěn)壓器似乎并不難。設(shè)計(jì)者只需選擇合適的開關(guān)穩(wěn)壓器 IC，并利用數(shù)據(jù)手冊(cè)或應(yīng)用說(shuō)明上的示例電路添加一些無(wú)源器件即可。但到這一步設(shè)計(jì)就完成了嗎？可以立即發(fā)布進(jìn)行試運(yùn)行，甚至投入生產(chǎn)嗎？可能還不行。 雖然穩(wěn)壓器提供了所需的 DC 電源軌，但仍然存在幾個(gè)潛在的問(wèn)題。首先，能效可能不符合項(xiàng)目的目標(biāo)或監(jiān)管要求，從而會(huì)增大熱沖擊，縮短電池壽命。其次，可能需要額外的元件來(lái)確保正常啟動(dòng)、瞬態(tài)性能和低紋波，這反過(guò)來(lái)又會(huì)影響尺寸、上市時(shí)間和總材料清單 (BOM)。最后，也許是最具挑戰(zhàn)性的，設(shè)計(jì)可能不符合各種法規(guī)中關(guān)于電磁干擾 (EMI) 或射頻干擾 (RFI) 的日益嚴(yán)格的限制，因此需要重新設(shè)計(jì)或進(jìn)一步增加部件和測(cè)試。 本文將介紹基本的 DC/DC 穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)與滿足或超過(guò)關(guān)于能效、低輻射和紋波噪聲以及整體集成度要求的卓越設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)期望值和性能之間的差距。然后，介紹 Analog Devices 的 Silent Switcher μModule 器件，并展示如何使用這些器件來(lái)解決多個(gè) DC/DC 降壓穩(wěn)壓器問(wèn)題。 最初，看起來(lái) IC 能簡(jiǎn)化問(wèn)題 降壓型 DC/DC 穩(wěn)壓器廣泛用于提供 DC 電源軌。一個(gè)典型的系統(tǒng)可能有幾十個(gè)這樣的電源軌，用于提供不同的電源軌電壓或在同一電壓下的分離式電源軌。通常，這些降壓穩(wěn)壓器采用典型值在 5 VDC 至 36 VDC 之間的較高電壓，并在幾個(gè)安培或較小的兩位數(shù)安培的電流下將該電壓降至一個(gè)單電壓值（圖 1）。 
圖 1：DC/DC 穩(wěn)壓器（轉(zhuǎn)換器）的作用很簡(jiǎn)單：取一個(gè)未經(jīng)穩(wěn)壓的 DC 源，可能來(lái)自電池或經(jīng)過(guò)整流、濾波的 AC 線路，然后提供一個(gè)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格穩(wěn)壓的 DC 電源軌作為輸出。（圖片來(lái)源：Electronic Clinic） 在構(gòu)建基本的降壓型穩(wěn)壓器時(shí)喜憂參半。好的方面是，構(gòu)建能提供名義上性能“足夠好”的系統(tǒng)一般來(lái)說(shuō)并不困難。有許多開關(guān)式集成電路可以完成大部分任務(wù)，其余的只需要一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)（或根本不需要）和一些無(wú)源器件即可。這項(xiàng)任務(wù)會(huì)變得更加容易，因?yàn)楦鞣N穩(wěn)壓器 IC 的數(shù)據(jù)表中幾乎都會(huì)給出一個(gè)典型的應(yīng)用電路，包括原理圖、電路板布局以及一份列出了元器件供應(yīng)商名稱和零件編號(hào)的 BOM。 在工程上的困境是，就一些不明顯的穩(wěn)壓器性能參數(shù)而言，達(dá)到“良好”的性能水平可能是不夠的。雖然輸出 DC 電源軌可能提供足夠的電流，具有適當(dāng)?shù)木�路/負(fù)載調(diào)節(jié)和瞬態(tài)響應(yīng)，但這些因素只是電源軌故事的開始。 實(shí)際上，除了這些基本的性能標(biāo)準(zhǔn)外，穩(wěn)壓器還需就其他因素進(jìn)行評(píng)估，而其中一些是由外部需求驅(qū)動(dòng)的。大多數(shù)穩(wěn)壓器必須解決三大關(guān)鍵問(wèn)題，但僅從那些接受非穩(wěn)壓 DC 輸入并提供穩(wěn)壓 DC 輸出的功能塊的簡(jiǎn)單角度來(lái)看，這些問(wèn)題未必顯而易見。具體問(wèn)題是（圖 2）： · 發(fā)熱小：高能效和相關(guān)的發(fā)熱影響最小。 · 靜音：具有適合無(wú)故障系統(tǒng)性能的低紋波，以及滿足輻射噪聲標(biāo)準(zhǔn)（非聲學(xué)）的低 EMI。 · 全面：一種能最大限度地減少尺寸、風(fēng)險(xiǎn)、BOM、上市時(shí)間和其他“軟”問(wèn)題的解決方案。
圖 2：DC/DC 穩(wěn)壓器必須不僅能夠提供穩(wěn)定的電源軌，還必須發(fā)熱小、高效、EMI“靜音”并且功能全面。（圖片來(lái)源：Math.stackexchange.com；由作者修改） 要解決這些問(wèn)題就要面臨一系列挑戰(zhàn)并且將會(huì)是一種讓人沮喪的體驗(yàn)。這符合“80/20 法則”，即用 80% 的努力去完成最后“20%”的任務(wù)。讓我們?cè)敿?xì)了解一下這三個(gè)因素： 發(fā)熱小：每位設(shè)計(jì)師都想獲得高能效，但究竟有多高，需要付出多大代價(jià)？答案是常見的：這取決于項(xiàng)目及其各種權(quán)衡。在這三大原因中，更高的能效很重要： 1、換句話說(shuō)，讓發(fā)熱更小的產(chǎn)品能提高可靠性，可在更高的溫度下運(yùn)行，可能不需要強(qiáng)制風(fēng)冷（風(fēng)扇）或者在可行的情況下簡(jiǎn)化設(shè)置有效的對(duì)流冷卻的。在高端領(lǐng)域，對(duì)于那些運(yùn)行溫度特別高的部件，可能要求將其運(yùn)行溫度保持在最高允許溫度內(nèi)且在其安全工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。 2、即使這些熱因素不是問(wèn)題，高能效也意味著能延長(zhǎng)電池供電型系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間或者減輕上游 AC-DC 轉(zhuǎn)換器的負(fù)擔(dān)。 3、現(xiàn)在有許多監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了每一類終端產(chǎn)品的具體能效水平。雖然這些標(biāo)準(zhǔn)并未要求產(chǎn)品中單電源軌的能效，但設(shè)計(jì)者面臨的挑戰(zhàn)是確保整體的總能效符合要求。當(dāng)每個(gè)發(fā)揮作用的電源軌的 DC/DC 穩(wěn)壓器具有更高能效時(shí)，就能很容易的達(dá)到上述目的，因?yàn)檫@樣就會(huì)為與其他電源軌和其他損耗源的疊加提供了余地。 靜音：設(shè)計(jì)者關(guān)心的噪音分為兩大類。首先，DC/DC 穩(wěn)壓器輸出端的噪聲和紋波必須足夠低，不得對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利影響。隨著數(shù)字電路中電源軌電壓下降到較低的值（個(gè)位數(shù)），這一點(diǎn)越來(lái)越受到關(guān)注，而且對(duì)精密模擬電路來(lái)說(shuō)，即使紋波只有幾毫伏也會(huì)降低性能。 另一個(gè)主要關(guān)注點(diǎn)與 EMI 有關(guān)。存在兩種 EMI 放射：傳導(dǎo)式和輻射式。傳導(dǎo)性電磁放射取決于連接產(chǎn)品的印制線和導(dǎo)線。由于在設(shè)計(jì)中噪聲集中在具體的端子或連接器上，因此通常來(lái)講，在開發(fā)過(guò)程中通過(guò)良好的布局和濾波器設(shè)計(jì)，就可以相對(duì)較早地保證設(shè)計(jì)符合傳導(dǎo)放射要求。 然而，輻射式放射則更為復(fù)雜。電路板上每個(gè)載流導(dǎo)體都會(huì)輻射出一個(gè)電磁場(chǎng)：電路板上的每條印制線都是一根天線，每一個(gè)銅平面都像一面鏡子。除純正弦波或 DC 電壓外的任何東西都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)寬信號(hào)頻譜。 困難在于，即使認(rèn)真設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者永遠(yuǎn)都不會(huì)在系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試之前真正地了解輻射放射會(huì)有多糟糕，而在設(shè)計(jì)基本完成之前，是無(wú)法正式地進(jìn)行輻射放射測(cè)試的。濾波器用來(lái)通過(guò)各種技術(shù)來(lái)衰減特定頻率下或者一系列頻率范圍內(nèi)的電平，進(jìn)而減少 EMI。 對(duì)于通過(guò)空間輻射的一些能量，則是通過(guò)將金屬板作為磁屏蔽體來(lái)實(shí)現(xiàn)衰減的。采用鐵氧體磁珠及其他濾波器來(lái)控制 PC 板印制線上的低頻 EMI（傳導(dǎo)式）。這是一種有效的屏蔽方式，但同時(shí)產(chǎn)生了一系列新問(wèn)題。必須精心設(shè)計(jì)且具有良好的電磁完整性（但困難往往會(huì)出乎意料）。這樣做會(huì)增加成本和所需的板面積，加大熱管理和測(cè)試的困難程度，并導(dǎo)致額外的裝配成本。 另一種技術(shù)是減緩穩(wěn)壓器的開關(guān)邊緣。然而，這樣做會(huì)降低能效、延長(zhǎng)最小通斷時(shí)間以及所需的空載時(shí)間，而且會(huì)嚴(yán)重影響電流控制回路的速度。 還有一種方法是調(diào)整穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)，通過(guò)仔細(xì)選擇關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)減少 EMI 輻射。這些穩(wěn)壓器的平衡工作涉及評(píng)估諸如開關(guān)頻率、所需板面積、能效及由此產(chǎn)生的 EMI 等參數(shù)的相互作用。 例如，較低開關(guān)頻率通常會(huì)降低開關(guān)損耗、電磁干擾并提高能效，但需要較大的元件并相應(yīng)地增大所需板面積。通過(guò)減小最短導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間可滿足對(duì)更高能效的需求，但由于開關(guān)轉(zhuǎn)換速度較快，會(huì)導(dǎo)致諧波含量較高。一般來(lái)說(shuō)，假設(shè)如開關(guān)容量、轉(zhuǎn)換時(shí)間等所有其他參數(shù)保持不變，則開關(guān)頻率每增加一倍，EMI 就會(huì)惡化 6 dB。寬帶 EMI 的表現(xiàn)就像一階高通濾波器，當(dāng)開關(guān)頻率增加 10 倍時(shí)，發(fā)射量會(huì)增加 20 dB。 為了克服這個(gè)問(wèn)題，經(jīng)驗(yàn)豐富的電路板設(shè)計(jì)者會(huì)將穩(wěn)壓器電流回路（“熱回路”）設(shè)計(jì)得很小，并使用盡可能靠近有源層的屏蔽接地層。然而，引腳布局、封裝結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計(jì)要求以及在去耦元件中充分儲(chǔ)能所需的封裝尺寸決定了最小熱環(huán)尺寸。 為了使布局問(wèn)題更具挑戰(zhàn)性，典型的平面 PC 板在 30 MHz 以上的印制線之間存在磁性或變壓器式耦合。這種耦合將削弱濾波能力，因?yàn)橹C波頻率越高，就會(huì)形成越有效的有害磁耦合。 有哪些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)？ 在 EMI 領(lǐng)域沒(méi)有單一的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)檫@主要是由應(yīng)用和相關(guān)的管理授權(quán)決定的。其中被引用最多的標(biāo)準(zhǔn)是 EN55022、CISPR 22 和 CISPR 25。EN 55022 是 CISPR 22 的改良衍生版本，適用于 IT 技術(shù)設(shè)備。該標(biāo)準(zhǔn)由歐洲電工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì) (CENELEC) 制定，針對(duì)電工工程領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作。 這些標(biāo)準(zhǔn)很復(fù)雜，對(duì)測(cè)試程序、探頭、儀器儀表、數(shù)據(jù)分析等做了具體規(guī)定。在該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的許多限值中，設(shè)計(jì)者最感興趣的往往是針對(duì) B 類輻射發(fā)射的限值。 全面：即使對(duì)設(shè)計(jì)情況相當(dāng)了解，做到正確選擇和采用所需的輔助組件也并非易事。元器件的放置和規(guī)格、PC 板的接地和印制線以及其他因素的細(xì)微差別都會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生不利影響。 建模和仿真是必要的，也是有幫助的，但要特征化與這些器件相關(guān)的寄生效應(yīng)將非常困難，特別是當(dāng)器件的值發(fā)生變化時(shí)。此外，供應(yīng)商變化（或首選供應(yīng)商未宣布的變化）可能會(huì)引起二級(jí)或三級(jí)參數(shù)值發(fā)生微妙變化（如電感器的直流電阻 (DCR)），這可能會(huì)導(dǎo)致意外的嚴(yán)重后果。 而且，即使對(duì)無(wú)源器件進(jìn)行輕微的重新定位或僅僅增加“一個(gè)”，也會(huì)改變 EMI 情況，導(dǎo)致發(fā)射超過(guò)允許限值。 SilentSwitcher μModules 解決了這些問(wèn)題 預(yù)測(cè)和管理風(fēng)險(xiǎn)是設(shè)計(jì)者工作的一個(gè)正常部分。減少這些風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)量、強(qiáng)度是標(biāo)準(zhǔn)的終端產(chǎn)品戰(zhàn)略。具體的解決方案是采用功能全面的 DC/DC 穩(wěn)壓器，即通過(guò)良好的設(shè)計(jì)和實(shí)施，使其實(shí)現(xiàn)發(fā)熱小、靜音和全面。使用已知設(shè)備可以減少不確定性，同時(shí)解決尺寸、成本、EMI、BOM 和裝配風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。這樣做也會(huì)加快上市時(shí)間，并減少是否滿足監(jiān)管合規(guī)要求導(dǎo)致的煩惱。 通過(guò)查看此類穩(wěn)壓器的完整系列，如 Analog Devices 的 Silent Switcher μModules，設(shè)計(jì)者可以選擇與所需額定電壓、電流相匹配的 DC/DC 穩(wěn)壓器，同時(shí)確保滿足 EMI 要求，已知曉尺寸和成本并且不會(huì)出現(xiàn)意外。 這些穩(wěn)壓器所包含的內(nèi)容已遠(yuǎn)超創(chuàng)新的原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些穩(wěn)壓器采用的技術(shù)包括： 技術(shù) #1：將穩(wěn)壓器的開關(guān)作動(dòng)作用作射頻振蕩器/源，并與作為天線的鍵合線結(jié)合。這就把該組件變成了一個(gè)射頻發(fā)射器，但不需要的能量可能會(huì)超過(guò)允許的限度（圖 3、4 和 5）。
圖 3：從 IC 芯片到封裝的鍵合線具有微型天線的功能，會(huì)輻射出不必要的射頻能量。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
圖 4：Silent Switcher 組件首先用倒裝芯片技術(shù)取代了鍵合線，從而消除了能夠輻射能量的導(dǎo)線。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
圖 5：倒裝芯片方法有效地消除了天線，并將輻射能量降到最低。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 技術(shù) #2：使用對(duì)稱輸入電容，通過(guò)構(gòu)建平衡的、方向相反的電流來(lái)抑制 EMI（圖 6）。
圖 6：還添加了兩個(gè)鏡像輸入電容來(lái)抑制 EMI。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 技術(shù) #3：最后，使用方向相反的電流環(huán)來(lái)消除磁場(chǎng)（圖 7）。
圖 7：具有方向電流環(huán)的內(nèi)部布局也能消除不必要的磁場(chǎng)。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 這些 Silent Switcher μModule 代表了降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)和封裝的演變，從采用輔助元件的 IC 到采用集成電容的 LQFN IC，再到具有必要電容和電感的 μModule（圖 8）。
圖 8：通過(guò)在封裝中加入電容器和電感器，Silent Switcher μModules 是以 IC 為中心的開關(guān)穩(wěn)壓器發(fā)展的第三個(gè)階段。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 產(chǎn)品廣泛，可滿各種需求并解決各種權(quán)衡 Silent Switcher μModule 由許多獨(dú)立單元組成，其輸入電壓范圍、輸出電壓軌和輸出電流的額定值各不相同。例如，LTM8003 是一款 3.4 V 至 40 V 輸入、3.3 V 輸出、連續(xù) 3.5 A（6 A 峰值）的 μModule，符合 CISPR 25 的第 5 類限值規(guī)定，但尺寸僅為 9 × 6.25 mm，高 3.32 mm（圖 9）。
圖 9：LTM8003 Silent Switcher 是一款微型自足式封裝器件，很容易滿足 CISPR 25 第 5 類的從 DC 到 1000 MHz 的峰值輻射能量限值規(guī)定。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 該器件的引腳布局符合故障模式影響分析 (FMEA) 的要求 (LTM8003-3.3)，這意味著在相鄰引腳短路或引腳處于浮動(dòng)狀態(tài)時(shí)，輸出保持穩(wěn)壓電壓或低于該電壓。典型靜態(tài)電流僅為 25 μA，H 級(jí)版本的額定工作溫度為 150℃。 DC2416A 演示板可供設(shè)計(jì)人員練習(xí)穩(wěn)壓器操作并評(píng)估其應(yīng)用性能（圖 10）。
圖 10：DC2416A 演示板簡(jiǎn)化了與 LTM8003 Silent Switcher 設(shè)備的連接和評(píng)估。（圖片來(lái)源：Analog Devices） LTM4657（3.1 V 至 20 V 輸入；0.5 V 至 5.5 V @ 8 A 輸出）和 LTM4626（3.1 至 20 V 輸入；0.6 至 5.5 V @ 12 A 輸出）是兩款名義上相似的 Silent Switcher μModule 家族成員，顯示了這類器件的權(quán)衡性質(zhì)。LTM4657 使用比 LTM4626 更高的電感值，使其能夠在較低頻率下工作，從而減少開關(guān)損耗。 LTM4657 是針對(duì)高開關(guān)損耗和低傳導(dǎo)損耗的較好解決方案，例如在負(fù)載電流小和/或輸入電壓高的應(yīng)用中。LTM4626 和 LTM4657 在相同開關(guān)頻率下工作，具有相同的 12 V 輸入和 5 V 輸出，可以看出 LTM4657 的開關(guān)損耗更低（圖 11）。此外，值更大的電感器減少了輸出電壓紋波。然而，LTM4626 能比 LTM4657 提供更多負(fù)載電流。
圖 11：LTM4626 和 LTM4657 在 1.25MHz 頻率下的能效對(duì)比，在 DC2989A 演示板上的配置相同，顯示出有適度但明顯的差異。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 用戶可以使用 DC2989A 演示板評(píng)估 LTM4657 的性能（圖 12），而對(duì)于 LTM4626，則可以采用 DC2665A-A 板進(jìn)行評(píng)估（圖 13）。
圖 12：DC2989A 演示板用于加快對(duì) LTM4657 Silent Switcher 的評(píng)估。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
圖 13：對(duì)于 LTM4626 Silent Switcher 模塊，可以采用 DC2665A-A 演示板，以方便練習(xí)和評(píng)估。（圖片來(lái)源：Analog Devices） Silent Switcher μModules 并不限于單輸出模塊。例如，LTM4628 是一款全面的雙路 8 A 輸出開關(guān)式 DC/DC 穩(wěn)壓器，可以很容易地配置為單路 2 相 16 A 輸出（圖 1 4）。該模塊提供 15 mm × 15 mm × 4.32 mm LGA 和 15 mm × 15 mm × 4.92 mm BGA 封裝選擇。該器件包括開關(guān)控制器、功率 FET、電感器和所有輔助元件。
圖 14：LTM4628 可以配置為雙輸出、每通道 8 A 的開關(guān)式 DC/DC 穩(wěn)壓器，也可以配置為單輸出、16 A 輸出。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 該模塊在 4.5 V 至 26.5 V 輸入電壓范圍內(nèi)工作，支持通過(guò)外部電阻器設(shè)置的 0.6 V 至 5.5 V 輸出。用戶可以采用 DC1663A 演示板（圖 15）來(lái)研究其作為一個(gè)單輸出或雙輸出器件的性能。
圖 15：通過(guò)采用其 DC1663A 演示板，可加速對(duì)單/雙輸出 LTM4628 器件的評(píng)估。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 結(jié)語(yǔ) 利用現(xiàn)有 IC 設(shè)計(jì)一個(gè)有效的 DC/DC 穩(wěn)壓器是非常容易的。然而，設(shè)計(jì)一款既具有出色能效、功能齊全，又能滿足各種通常混亂且嚴(yán)格的監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求的穩(wěn)壓器卻并非易事。Analog Devices 的 Silent Switcher μModule 簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程。這類器件通過(guò)滿足發(fā)熱小和高效運(yùn)行目標(biāo)，具有低于允許限值的 EMI 發(fā)射和現(xiàn)成的全面性來(lái)消除風(fēng)險(xiǎn)。 |
