【導(dǎo)讀】針對(duì)開關(guān)電源的一條基本原理是其一定不能產(chǎn)生大量的噪聲。因此，安靜、經(jīng)過良好調(diào)節(jié)的電源對(duì)于在許多電路應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)最佳性能是很重要的。為了獲得這種性能水平，至關(guān)緊要的是能夠減輕轉(zhuǎn)換過程中而產(chǎn)生的任何噪聲。實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的一種顯而易見的辦法就是使用線性穩(wěn)壓器。然而，盡管線性穩(wěn)壓器可提供安靜的電源軌，但是它們的轉(zhuǎn)換效率在高降壓比條件下欠佳，而這在高輸出電流應(yīng)用中會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)的熱問題。
當(dāng)然，基于磁性元件的開關(guān)穩(wěn)壓器能夠緩解常見的熱問題，這是因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂懈叩霓D(zhuǎn)換效率，從而在最終應(yīng)用要求高輸出電流時(shí)可實(shí)現(xiàn)熱設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化。眾所周知，組件選擇和電路板布局在決定幾乎所有電源之設(shè)計(jì)成敗方面會(huì)起到重要的作用。這些方面設(shè)定了它們的功能性 EMI 和熱運(yùn)行方式。對(duì)于新手來(lái)說(shuō)，開關(guān)電源布局可能貌似一種“黑色”藝術(shù)，但是事實(shí)上它是設(shè)計(jì)的一個(gè)基本，而這方面在設(shè)計(jì)過程的早期常常是被忽視的。由于功能性 EMI 要求始終是必須滿足的，因此對(duì)電源功能穩(wěn)定性有好處的東西對(duì)其 EMI 輻射指標(biāo)常常也是有益的。此外，從頭開始的良好布局不僅不會(huì)給設(shè)計(jì)增加任何成本，而且通過免除增加 EMI 濾波器、結(jié)構(gòu)屏蔽、EMI 測(cè)試時(shí)間和諸多電路板修改的需要，實(shí)際上還能節(jié)省成本。
而且，當(dāng)在設(shè)計(jì)中使用多個(gè) DC/DC 開關(guān)模式穩(wěn)壓器以產(chǎn)生多個(gè)電源軌，或通過穩(wěn)壓器的并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)均流和提供較高輸出功率時(shí)，由于噪聲所引起的潛在干擾問題還會(huì)加劇。如果所有均在一個(gè)相似的頻率工作 (開關(guān)操作)，則由一個(gè)電路中的多個(gè)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的組合能量將集中在一個(gè)頻率上。該能量的存在會(huì)成為一個(gè)問題，特別是如果印刷電路板 (PCB) 上其余的 IC、以及其他系統(tǒng)板彼此靠近且容易受到該輻射能量的不良影響。在安裝密度高和通常靠近電噪聲發(fā)生源 (例如：機(jī)械式開關(guān)感性負(fù)載、PWM 驅(qū)動(dòng)功率輸出、微處理器時(shí)鐘和接觸式開關(guān)) 的工業(yè)和汽車系統(tǒng)中，這會(huì)格外麻煩。此外，如果在不同的頻率執(zhí)行開關(guān)操作，則互調(diào)分量會(huì)混疊至敏感的頻段中。
開關(guān)穩(wěn)壓器輻射
在重視低散熱量和高效率的場(chǎng)合中，常常用開關(guān)穩(wěn)壓器取代線性穩(wěn)壓器。而且，開關(guān)穩(wěn)壓器通常是輸入電源總線線路上的第一個(gè)有源組件，因而對(duì)于整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的 EMI 性能具有重大的影響。
傳導(dǎo)輻射“騎”在連接至某個(gè)產(chǎn)品的導(dǎo)線和走線上。由于噪聲集中到設(shè)計(jì)中的某個(gè)特定端子或連接器，因此與傳導(dǎo)輻射要求的相符性通常可利用良好的布局或?yàn)V波器設(shè)計(jì)在開發(fā)過程的早期予以保證。輻射發(fā)射是完全不同的另外一件事情。電路板上每個(gè)傳輸電流的組件和線路都輻射一個(gè)電磁場(chǎng)。電路板上的每一根走線都是一個(gè)天線，而每個(gè)銅平面則是一個(gè)諧振器。任何電信號(hào) (純正弦波或 DC 電壓除外) 都將在整個(gè)信號(hào)頻譜上產(chǎn)生噪聲。即使采取了謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)，電源設(shè)計(jì)師在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試之前都絕對(duì)不會(huì)真正知道輻射發(fā)射將糟糕到什么程度。而且，直到設(shè)計(jì)基本完成才能正式實(shí)施輻射發(fā)射測(cè)試。
濾波器常用于通過衰減某個(gè)特定頻率上或某個(gè)頻率范圍內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)降低 EMI。穿越空間傳輸?shù)牟糠衷撃芰?(輻射能量) 通過增設(shè)金屬和磁屏蔽加以衰減。“騎”在 PCB 走線上的那部分能量 (傳導(dǎo)能量) 則通過增設(shè)鐵氧體磁珠和其他濾波器進(jìn)行抑制。EMI 雖然是不可消除，但是能夠被衰減至一個(gè)其他通信、信號(hào)處理和數(shù)字組件可以接受的水平。此外，有幾家管理機(jī)構(gòu)強(qiáng)制執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)以確保在工業(yè)和汽車系統(tǒng)中均實(shí)現(xiàn)相符性。
采用表面貼裝技術(shù)的新式輸入濾波器組件擁有優(yōu)于通孔式元件的性能。然而，這種改善的步伐落后于當(dāng)今高頻開關(guān)穩(wěn)壓器所產(chǎn)生之需求的增速。由于較快開關(guān)轉(zhuǎn)換的原因，在較高工作頻率上要求的低最小導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間會(huì)產(chǎn)生較高的諧波分量，從而增加輻射噪聲。然而，這些高開關(guān)邊緣速率是獲得較高轉(zhuǎn)換效率所必需的。開關(guān)電容器充電泵并未呈現(xiàn)這種運(yùn)行方式，因?yàn)樗ぷ髟诘偷枚嗟拈_關(guān)頻率，而且最重要的是能夠容許較慢的開關(guān)轉(zhuǎn)換，并不會(huì)導(dǎo)致效率的下降。
精明懂行的 PCB 設(shè)計(jì)師將縮小熱回路，并采用與有源層盡可能靠近的屏蔽接地層。盡管如此，器件引出腳配置、封裝結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計(jì)要求和在去耦組件中存儲(chǔ)充足能量所需的封裝尺寸還是決定了熱回路尺寸必須最小化。讓事情更復(fù)雜的是，在典型的平面型印刷電路板中，走線之間高于 30MHz 的磁性或變壓器型耦合將削弱濾波器所產(chǎn)生的各種作用，這是因?yàn)橹C波頻率越高，就會(huì)成為不良影響越強(qiáng)的有害磁耦合。
開關(guān)電容器充電泵
充電泵已經(jīng)存在了幾十年，它們提供 DC/DC 電壓轉(zhuǎn)換，使用一個(gè)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)對(duì)兩個(gè)或更多的電容器進(jìn)行充電和放電。基本的充電泵開關(guān)網(wǎng)絡(luò)在電容器的充電和放電狀態(tài)之間切換。如圖 1 所示，“飛跨電容器”C1 負(fù)責(zé)往返運(yùn)送電荷，“儲(chǔ)能電容器”C2 用于保存電荷并對(duì)輸出電壓進(jìn)行濾波。附加的“飛跨電容器”和開關(guān)陣列可實(shí)現(xiàn)多種增益。
圖 1：電壓逆變器的簡(jiǎn)化充電泵方框圖
當(dāng)開關(guān) S1 和 S3 導(dǎo)通 (即閉合)，而開關(guān) S2 和 S4 切斷 (即開路) 時(shí)，輸入電源為 C1 充電。在下一個(gè)周期中，S1 和 S3 斷開，S2 和 S4 導(dǎo)通，電荷轉(zhuǎn)移至 C2，從而產(chǎn)生 VOUT = – (V+)。
然而直到近期，充電泵一直存在著輸入和輸出電壓范圍有限的問題，因而限制了其在輸入常常高達(dá) 40V 或更高的工業(yè)和汽車應(yīng)用中的使用。
在該領(lǐng)域中新近推出的一款產(chǎn)品是凌力爾特的 LTC3256。它是高集成度、高電壓低噪聲雙輸出電源，采用單一正輸入電壓，無(wú)需電感器并以高效率提供 5V 和 3.3V 降壓電源。該器件在很寬的 5.5V 至 38V 輸入電壓范圍內(nèi)工作，包括可獨(dú)立地使能的雙輸出：5V 100mA 電源，以及 250mA 3.3V 低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器，總共提供 350mA 可用輸出電流。與雙 LDO 解決方案相比，這些穩(wěn)壓器結(jié)合使用后的功耗會(huì)低得多。例如，在 12V 輸入和兩個(gè)輸出均為最大負(fù)載情況下，LTC3256 的功耗降低超過 2W (相比于雙 LDO 方案)，從而顯著減少了熱損耗和輸入電流。這款器件的完整原理圖請(qǐng)見圖 2。
圖 2：LTC3256 原理圖具有一個(gè) 5V/100mA 輸出和一個(gè) 3.3V/250mA 輸出
LTC3256 專為符合 ISO26262 診斷覆蓋要求的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，納入了豐富的安全和系統(tǒng)監(jiān)視功能。該器件非常適合要求采用高電壓輸入提供低噪聲、低電源軌的各種應(yīng)用，例如：汽車 ECU / CAN 收發(fā)器電源、工業(yè) / 電信內(nèi)務(wù)處理電源、以及通用型低功率轉(zhuǎn)換。
LTC3256 通過以 2:1 模式運(yùn)行充電泵，在盡可能寬的工作范圍內(nèi)最大限度提高效率，并在需要時(shí)自動(dòng)切換到 1:1 模式，以與 VIN 和負(fù)載情況保持一致。受控輸入電流和軟切換最大限度降低了傳導(dǎo)和輻射 EMI。該器件在兩個(gè)輸出均處于調(diào)節(jié)狀態(tài) (無(wú)負(fù)載) 時(shí)，靜態(tài)電流僅為很低的 20μA，在停機(jī)模式中則為 1μA。集成的看門狗定時(shí)器、獨(dú)立的電源良好輸出以及復(fù)位輸入確保了可靠的系統(tǒng)運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)視。1.1V 緩沖基準(zhǔn)輸出允許針對(duì)安全運(yùn)行至關(guān)重要的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)自測(cè)試診斷。LTC3256 還提供額外的安全功能，包括過流故障保護(hù)、過熱保護(hù)和 38V 輸入瞬態(tài)容限。
下面圖 3 中的曲線圖突出顯示了 LTC3256 的優(yōu)良功耗特性。在 12VIN 時(shí)，具有 3.3V/250mA 和 5V/100mA 輸出的 LTC3256 消耗約 750mW 功率，而雙 LDO 方案在相同條件下的功耗則幾乎達(dá)到 3W。也就是說(shuō) LTC3256 的功耗少了 2.25W，對(duì)于設(shè)計(jì)的熱方面而言這是一個(gè)巨大的好處。
圖 3：LTC3256 與雙 LDO 的功耗特性比較
結(jié)論
眾所周知，在初始設(shè)計(jì)過程中需要謹(jǐn)慎地關(guān)注 EMI 考慮因素，以確保它們將在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之時(shí)順利通過 EMI 測(cè)試。迄今為止，除了非常低功率系統(tǒng)之外，還沒有萬(wàn)無(wú)一失方法來(lái)保證利用正確的電源 IC 選擇就能輕松地如愿以償。不過，隨著最近 LTC3256 高電壓充電泵等低 EMI 穩(wěn)壓器的推出，現(xiàn)在有了一種可用的替代選擇。它可提供高得多的效率和較低的功耗 (當(dāng)與線性穩(wěn)壓器相比)，而且不必應(yīng)對(duì)采用開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)存在的補(bǔ)償、布局、磁學(xué)和 EMI 問題。
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