Tony Armstrong

凌力爾特公司   電源產(chǎn)品部   產(chǎn)品市場(chǎng)總監

背景信息

開(kāi)關(guān)穩壓器由于尺寸、輸出靈活性和效率優(yōu)勢，成為很多電源轉換電路的流行選擇。視運行條件的不同而不同，這類(lèi)電源的轉換效率現在可以達到 98% 的水平。然而，盡管有這些優(yōu)勢，這類(lèi)電源必須在其他參數上做出妥協(xié)，其中最難的一個(gè)就是噪聲。

不過(guò)，什么是開(kāi)關(guān)穩壓器的“噪聲”? 為了更好地理解這個(gè)術(shù)語(yǔ)，讓我們從開(kāi)關(guān)模式電源產(chǎn)生寬帶諧波能量這一事實(shí)入手。這種人們不想要的能量以?xún)煞N形式出現，即輻射和傳導，在業(yè)界，它們通常被稱(chēng)為“噪聲”。然而，這個(gè)名稱(chēng)確實(shí)不夠準確，因為開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出“噪聲”根本就不是噪聲，而是直接與穩壓器的開(kāi)關(guān)切換有關(guān)的、自然而然剩余的高頻分量。這種現象的正確叫法是電磁輻射，或者更常見(jiàn)的叫法是 EMI。而且，確實(shí)，EMI 有輻射和傳導兩種形式。

既然在很多電路應用中，要實(shí)現最佳性能，無(wú)噪聲、良好穩壓的電源非常重要，那么能夠降低在這種轉換過(guò)程必然存在的噪聲也就非常重要了。降低噪聲的一種顯然方式是使用線(xiàn)性穩壓器。然而，盡管線(xiàn)性穩壓器提供噪聲很低的電源軌，但是在高降壓比時(shí)，其轉換效率不佳，這在大輸出電流應用中，可能導致設計出現熱量問(wèn)題。

相應地，開(kāi)關(guān)穩壓器通常比線(xiàn)性穩壓器的轉換效率高，因此當最終應用需要大輸出電流時(shí)，開(kāi)關(guān)穩壓器的熱量設計會(huì )更簡(jiǎn)單。人們能夠很好地理解，在決定幾乎所有電源成敗時(shí)，組件選擇和電路板布局發(fā)揮了非常重要的作用。這些方面決定了運行時(shí)的 EMI 和熱量表現。對外行而言，開(kāi)關(guān)電源布局也許看似魔法，但實(shí)際上，在設計初期，這常常是被忽視的一個(gè)基本方面。既然總是必須滿(mǎn)足運行時(shí)的 EMI 要求，那么對電源運行穩定性有好處的事，通常對降低 EMI 輻射也是有好處的。此外，從一開(kāi)始就確定一個(gè)良好的布局，不會(huì )給設計增加任何成本，而且實(shí)際上，由于無(wú)需 EMI 濾波器、機械屏蔽、EMI 測試時(shí)間和無(wú)數次修改電路板，因此還有可能節省了成本。

另外，在一個(gè)設計中采用多個(gè)開(kāi)關(guān)模式 DC/DC 穩壓器以產(chǎn)生多個(gè)軌時(shí)，如果這些穩壓器并聯(lián)，以均分電流并提供更大的輸出功率，那就有可能加重噪聲引起的潛在干擾問(wèn)題。如果所有穩壓器都以一個(gè)相似的頻率運行 (切換)，那么電路中多個(gè)穩壓器合起來(lái)產(chǎn)生的能量就有可能集中在一個(gè)頻率附近。這種能量的存在可能會(huì )成問(wèn)題，尤其是如果印刷電路板 (PCB) 上其余 IC 以及其他系統電路板相互靠得很近而易于受到這種輻射能量影響時(shí)。在工業(yè)和汽車(chē)系統中，這尤其有可能造成麻煩，因為這類(lèi)系統都是密集排列的，而且非�？拷�電噪聲源，例如機械切換的電感性負載、PWM 驅動(dòng)功率輸出、微處理器時(shí)鐘和觸點(diǎn)切換。此外，如果以不同頻率切換，那么互調分量有可能混疊到敏感頻段中。

開(kāi)關(guān)穩壓器輻射

在工業(yè)、醫療和汽車(chē)環(huán)境中，散熱少、效率高對應用很重要，因此通常用開(kāi)關(guān)穩壓器替代換線(xiàn)性穩壓器。此外，開(kāi)關(guān)穩壓器一般是輸入電源總線(xiàn)上的第一個(gè)有源組件，因此對整個(gè)產(chǎn)品設計的EMI性能有很大的影響。

傳導輻射依賴(lài)于連接到產(chǎn)品上的導線(xiàn)和走線(xiàn)。既然噪聲局限于設計中的特定端子或連接器，那么如上面已經(jīng)提到的那樣，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，常�？梢酝ㄟ^(guò)良好的布局或濾波器設計，相對較早地確保滿(mǎn)足傳導輻射要求。

輻射 EMI 則完全是另一回事。電路板上攜帶電流的所有東西都輻射電磁場(chǎng)。電路板上的每一條走線(xiàn)都是天線(xiàn)，每一個(gè)銅平面都是諧振器。除了純正弦波或 DC 電壓，任何信號都產(chǎn)生遍布信號頻譜的噪聲。即使進(jìn)行了仔細設計，在系統進(jìn)行測試之前，電源設計師也從不會(huì )真正知道輻射 EMI 有多嚴重。而直到設計基本完成，才會(huì )正式進(jìn)行輻射 EMI 測試。

濾波器常常用來(lái)降低 EMI，降低某個(gè)頻率或某個(gè)頻率范圍內的干擾強度。通過(guò)增加金屬屏蔽和磁屏蔽，可以衰減經(jīng)由空間輻射的那部分能量。通過(guò)增加鐵氧體珠和其他濾波器，可以降伏依賴(lài) PCB 走線(xiàn)的那部分能量 (傳導輻射)。EMI 不可能徹底消除，但是可以衰減到其他通信、信號處理和數字組件可接受的水平。此外，為了確保符合工業(yè)和汽車(chē)系統要求，幾家監管機構執行了一些標準。

采用表面貼裝技術(shù)的新式輸入濾波器組件比通孔式組件性能高。然而，這種改進(jìn)卻抵不過(guò)今天高頻開(kāi)關(guān)穩壓器日益提高的要求。在更高的工作頻率上要求非常短的最短接通和斷開(kāi)時(shí)間，導致因開(kāi)關(guān)轉換更快而帶來(lái)更高次諧波分量，因此增大了輻射噪聲。不過(guò)，要獲得更高的轉換效率，就需要這樣高的開(kāi)關(guān)速度。開(kāi)關(guān)電容器充電泵沒(méi)有這種問(wèn)題，因為這種充電泵以低得多的開(kāi)關(guān)頻率工作，而且最重要的是，可以容許較慢的開(kāi)關(guān)切換而不會(huì )降低效率。

熟練的 PCB 設計師會(huì )設計很小的熱環(huán)路，并使屏蔽接地層盡可能靠近激活層。然而，要在去耦組件中存儲充足的能量，對器件引腳布局、封裝結構、熱設計和封裝尺寸就會(huì )有一定的要求，這些要求決定了最小熱環(huán)路尺寸。使問(wèn)題更加復雜的是，在典型平面印刷電路板中，走線(xiàn)之間高于 30MHz 的磁性或變壓器型耦合將減弱所有濾波效果，因為諧波頻率越高，不希望的磁耦合就越有效。

解決 EMI 問(wèn)題的另一種方案

已嘗試過(guò)真正解決 EMI 問(wèn)題的方法是，針對整個(gè)電路采用屏蔽盒，即使這樣，屏蔽也不能完全防止對盒內敏感電路的耦合。當然，這提高了成本、增大了所需電路板空間、使熱量管理和測試更加困難并增加了額外的組裝費用。另一種經(jīng)常使用的方法是降低開(kāi)關(guān)速度。這種方法會(huì )產(chǎn)生一些不希望的效應，即降低效率，延長(cháng)最短接通 / 斷開(kāi)時(shí)間以及相關(guān)的停滯時(shí)間，因此降低了潛在的電流控制環(huán)路速度。

幾年前，凌力爾特公司推出了 LT8614 Silent Switcher^® 穩壓器，該器件無(wú)需使用屏蔽盒，就可提供所希望的屏蔽盒效果，同時(shí)還消除了上述很多缺點(diǎn)。然而，在某些噪聲應用中，由于相關(guān)的 EMI 輻射，電源設計師就是不喜歡使用基于電感器的穩壓器。同時(shí)，由于相對低的轉換效率和需要散熱器，線(xiàn)性穩壓器 (即 LDO) 也有可能被排除在外。結果，設計師們轉向了另一種常見(jiàn)和稱(chēng)為充電泵的方法。

充電泵已經(jīng)出現幾十年了，它們提供 DC/DC 電壓轉換，用開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )給兩個(gè)或更多電容器充電和放電�；�本充電泵開(kāi)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，C1 是“浮動(dòng)電容器”，運送電荷，C2 是“存儲電容器”，保存電荷，并對輸出電壓濾波。增加“浮動(dòng)電容器”和開(kāi)關(guān)陣列會(huì )實(shí)現多種好處。

圖 1：一個(gè)電壓反相器的簡(jiǎn)化充電泵方框圖

當開(kāi)關(guān) S1 和 S3 接通或斷開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān) S2 和 S4 斷開(kāi)或接通，輸入電源給 C1 充電。在下一個(gè)周期中，S1 和 S3 斷開(kāi)，S2 和 S4 接通，電荷傳送到 C2，產(chǎn)生 V_OUT = -(V+)。

不過(guò)，直到最近，充電泵一直提供有限的輸入和輸出電壓范圍，這限制了它們在工業(yè)和汽車(chē)應用中的使用，在這類(lèi)應用中，高達 40V 或 60V 的輸入是常見(jiàn)的。不過(guò)，隨著(zhù)凌力爾特公司推出高壓充電泵，這種情況現在已經(jīng)改變了。

高壓充電泵

LTC3245 是一款降壓-升壓型穩壓器，丟棄了傳統上使用的電感器，而采用了一個(gè)開(kāi)關(guān)電容器充電泵。其輸入電壓范圍為 2.7V 至 38V，可在沒(méi)有反饋分壓器的情況下使用，以產(chǎn)生 3.3V 或 5V 這兩個(gè)固定輸出電壓之一，或者通過(guò)反饋分壓器設定為 2.5V 至 5.5V 范圍內的任何輸出電壓。最大輸出電流為 250mA。LTC3245 能夠調節高于或低于輸入電壓的輸出電壓，從而能夠滿(mǎn)足汽車(chē)冷車(chē)發(fā)動(dòng)需求。參見(jiàn)圖 2 的完整原理圖。

圖 2：LTC3245 原理圖，從 2.7V 至 38V 輸入提供固定 5V 輸出

這個(gè)充電泵用 12V 電源提供 5V/100mA 輸出時(shí)，能實(shí)現 80% 的效率，這幾乎是線(xiàn)性穩壓器的兩倍，從而有可能避免像帶散熱器的 LDO 那樣高之空間和成本要求。該充電泵滿(mǎn)負載時(shí)功耗幾乎低 LDO 三倍。參見(jiàn)圖 3 的 LTC3245 效率和功耗曲線(xiàn)。

圖 3：12V 輸入至 5V 輸出時(shí)，LTC3245 效率 / 功耗曲線(xiàn)

LTC3245 還具備出色的輻射和傳導 EMI 性能，如圖 4a 和 4b 所示。這些測量結果是在一個(gè)符合 CISPR22 和 CISPR25 要求的微型容器中得出的。正如能夠看到的那樣，恰當地去耦合以后，在滿(mǎn)足政府的輻射和傳導 EMI 監管法規要求方面，LTC3245 不會(huì )產(chǎn)生任何問(wèn)題。

圖 4：LTC3245 的輻射 (a) 和傳導 (b) EMI

在很多工業(yè)、醫療和汽車(chē)應用中，運算放大器、驅動(dòng)器和傳感器等電子產(chǎn)品常常需要雙極性電源。不過(guò)，罕有可用于負載點(diǎn)處的雙極性電源。由于這種需求以及由于缺少簡(jiǎn)便易用的解決方案，凌力爾特公司開(kāi)發(fā)了 LTC3260。

LTC3260 是一款負輸出充電泵 DC/DC 轉換器，具備兩個(gè)低噪聲 LDO 穩壓器跟隨器，可用單一 4.5V 至 32V 輸入電源產(chǎn)生正和負電源，如圖 5 的完整原理圖所示。該器件可以在高效率突發(fā)模式 (Burst Mode^®) 運行和低噪聲恒定電流頻率模式之間切換，從而允許設計師針對應用做出最佳權衡。

LTC3260 可用反相輸入電壓在充電泵輸出 V_OUT 端提供高達 100mA 電流。這個(gè) V_OUT 還作為負 LDO 穩壓器 LDO^- 的輸入電壓。充電泵頻率可用單個(gè)電阻器在 50kHz 至 500kHz 范圍內調節。LTC3260 的每個(gè) LDO 都可支持高達 50mA 的負載。而且，每個(gè) LDO 在 50mA 時(shí)都有 300mV 壓差電壓，輸出電阻器分壓器網(wǎng)絡(luò )可用來(lái)設定輸出電壓。當兩個(gè)穩壓器都禁止時(shí)，停機靜態(tài)電流僅為 2µA。

圖 5：12V 輸入電源至 ±5V 輸出

結論
眾所周知，在設計之初，對于工業(yè)、醫療和汽車(chē)環(huán)境的 EMI 問(wèn)題需要嚴加注意，以確保一旦系統完成，能夠通過(guò) EMI 測試。直到現在為止，尚沒(méi)有一種必定成功的方法，能確保通過(guò)選擇恰當的電源 IC 而在最后輕松地通過(guò) EMI 測試，除了功率非常低的系統。

凌力爾特公司最近推出了低 EMI 穩壓器和 DC/DC 轉換器，包括一個(gè)廣泛的線(xiàn)性穩壓器系列以及 LT86xx Silent Switcher 降壓型轉換器�，F在，我們日益擴大的高壓充電泵系列提供了第三種選擇。與線(xiàn)性穩壓器相比，這類(lèi)產(chǎn)品提供高得多的效率和低得多的功耗，而且不需要應對與開(kāi)關(guān)穩壓器有關(guān)的補償、布局、磁場(chǎng)和 EMI 問(wèn)題。