Tony Armstrong

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

引言

針對開(kāi)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(guò)良好調節的電源對于在許多電路應用中實(shí)現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換過(guò)程中而產(chǎn)生的任何噪聲。實(shí)現此目標的一種顯而易見(jiàn)的辦法就是使用線(xiàn)性穩壓器。然而，盡管線(xiàn)性穩壓器可提供安靜的電源軌，但是它們的轉換效率在高降壓比條件下欠佳，而這在高輸出電流應用中會(huì )導致設計的熱問(wèn)題。

當然，基于磁性元件的開(kāi)關(guān)穩壓器能夠緩解常見(jiàn)的熱問(wèn)題，這是因為它們通常具有高的轉換效率，從而在最終應用要求高輸出電流時(shí)可實(shí)現熱設計的簡(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計成敗方面會(huì )起到重要的作用。這些方面設定了它們的功能性 EMI 和熱運行方式。對于新手來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源布局可能貌似一種“黑色”藝術(shù)，但是事實(shí)上它是設計的一個(gè)基本，而這方面在設計過(guò)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(mǎn)足的，因此對電源功能穩定性有好處的東西對其 EMI 輻射指標常常也是有益的。此外，從頭開(kāi)始的良好布局不僅不會(huì )給設計增加任何成本，而且通過(guò)免除增加 EMI 濾波器、結構屏蔽、EMI 測試時(shí)間和諸多電路板修改的需要，實(shí)際上還能節省成本。

而且，當在設計中使用多個(gè) DC/DC 開(kāi)關(guān)模式穩壓器以產(chǎn)生多個(gè)電源軌，或通過(guò)穩壓器的并聯(lián)來(lái)實(shí)現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(wèn)題還會(huì )加劇。如果所有均在一個(gè)相似的頻率工作 (開(kāi)關(guān)操作)，則由一個(gè)電路中的多個(gè)穩壓器產(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(wèn)題，特別是如果印刷電路板 (PCB) 上其余的 IC、以及其他系統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�？拷�電噪聲發(fā)生源 (例如：機械式開(kāi)關(guān)感性負載、PWM 驅動(dòng)功率輸出、微處理器時(shí)鐘和接觸式開(kāi)關(guān)) 的工業(yè)和汽車(chē)系統中，這會(huì )格外麻煩。此外，如果在不同的頻率執行開(kāi)關(guān)操作，則互調分量會(huì )混疊至敏感的頻段中。

開(kāi)關(guān)穩壓器輻射

在重視低散熱量和高效率的場(chǎng)合中，常常用開(kāi)關(guān)穩壓器取代線(xiàn)性穩壓器。而且，開(kāi)關(guān)穩壓器通常是輸入電源總線(xiàn)線(xiàn)路上的第一個(gè)有源組件，因而對于整個(gè)產(chǎn)品設計的 EMI 性能具有重大的影響。

傳導輻射“騎”在連接至某個(gè)產(chǎn)品的導線(xiàn)和走線(xiàn)上。由于噪聲集中到設計中的某個(gè)特定端子或連接器，因此與傳導輻射要求的相符性通�？衫�用良好的布局或濾波器設計在開(kāi)發(fā)過(guò)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(xiàn)路都輻射一個(gè)電磁場(chǎng)。電路板上的每一根走線(xiàn)都是一個(gè)天線(xiàn)，而每個(gè)銅平面則是一個(gè)諧振器。任何電信號 (純正弦波或 DC 電壓除外) 都將在整個(gè)信號頻譜上產(chǎn)生噪聲。即使采取了謹慎的設計，電源設計師在對系統進(jìn)行測試之前都絕對不會(huì )真正知道輻射發(fā)射將糟糕到什么程度。而且，直到設計基本完成才能正式實(shí)施輻射發(fā)射測試。

濾波器常用于通過(guò)衰減某個(gè)特定頻率上或某個(gè)頻率范圍內的信號強度來(lái)降低 EMI。穿越空間傳輸的部分該能量 (輻射能量) 通過(guò)增設金屬和磁屏蔽加以衰減�！膀T”在 PCB 走線(xiàn)上的那部分能量 (傳導能量) 則通過(guò)增設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、信號處理和數字組件可以接受的水平。此外，有幾家管理機構強制執行標準以確保在工業(yè)和汽車(chē)系統中均實(shí)現相符性。

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今高頻開(kāi)關(guān)穩壓器所產(chǎn)生之需求的增速。由于較快開(kāi)關(guān)轉換的原因，在較高工作頻率上要求的低最小導通和關(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(kāi)關(guān)邊緣速率是獲得較高轉換效率所必需的。開(kāi)關(guān)電容器充電泵并未呈現這種運行方式，因為它工作在低得多的開(kāi)關(guān)頻率，而且最重要的是能夠容許較慢的開(kāi)關(guān)轉換，并不會(huì )導致效率的下降。

精明懂行的 PCB 設計師將縮小熱回路，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、封裝結構、熱設計要求和在去耦組件中存儲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。讓事情更復雜的是，在典型的平面型印刷電路板中，走線(xiàn)之間高于 30MHz 的磁性或變壓器型耦合將削弱濾波器所產(chǎn)生的各種作用，這是因為諧波頻率越高，就會(huì )成為不良影響越強的有害磁耦合。

開(kāi)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 電壓轉換，使用一個(gè)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )對兩個(gè)或更多的電容器進(jìn)行充電和放電�；�本的充電泵開(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，“飛跨電容器”C1 負責往返運送電荷，“儲能電容器”C2 用于保存電荷并對輸出電壓進(jìn)行濾波。附加的“飛跨電容器”和開(kāi)關(guān)陣列可實(shí)現多種增益。

圖 1：電壓逆變器的簡(jiǎn)化充電泵方框圖

當開(kāi)關(guān) S1 和 S3 導通 (即閉合)，而開(kāi)關(guān) S2 和 S4 切斷 (即開(kāi)路) 時(shí)，輸入電源為 C1 充電。在下一個(gè)周期中，S1 和 S3 斷開(kāi)，S2 和 S4 導通，電荷轉移至 C2，從而產(chǎn)生 V_OUT = – (V+)。

然而直到近期，充電泵一直存在著(zhù)輸入和輸出電壓范圍有限的問(wèn)題，因而限制了其在輸入常常高達 40V 或更高的工業(yè)和汽車(chē)應用中的使用。

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 輸入電壓范圍內工作，包括可獨立地使能的雙輸出：5V 100mA 電源，以及 250mA 3.3V 低壓差 (LDO) 穩壓器，總共提供 350mA 可用輸出電流。與雙 LDO 解決方案相比，這些穩壓器結合使用后的功耗會(huì )低得多。例如，在 12V 輸入和兩個(gè)輸出均為最大負載情況下，LTC3256 的功耗降低超過(guò) 2W (相比于雙 LDO 方案)，從而顯著(zhù)減少了熱損耗和輸入電流。這款器件的完整原理圖請見(jiàn)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(zhuān)為符合 ISO26262 診斷覆蓋要求的系統而設計，納入了豐富的安全和系統監視功能。該器件非常適合要求采用高電壓輸入提供低噪聲、低電源軌的各種應用，例如：汽車(chē) ECU / CAN 收發(fā)器電源、工業(yè) / 電信內務(wù)處理電源、以及通用型低功率轉換。

LTC3256 通過(guò)以 2:1 模式運行充電泵，在盡可能寬的工作范圍內最大限度提高效率，并在需要時(shí)自動(dòng)切換到 1:1 模式，以與 V_IN 和負載情況保持一致。受控輸入電流和軟切換最大限度降低了傳導和輻射 EMI。該器件在兩個(gè)輸出均處于調節狀態(tài) (無(wú)負載) 時(shí)，靜態(tài)電流僅為很低的 20μA，在停機模式中則為 1μA。集成的看門(mén)狗定時(shí)器、獨立的電源良好輸出以及復位輸入確保了可靠的系統運行并實(shí)現故障監視。1.1V 緩沖基準輸出允許針對安全運行至關(guān)重要的應用進(jìn)行系統自測試診斷。LTC3256 還提供額外的安全功能，包括過(guò)流故障保護、過(guò)熱保護和 38V 輸入瞬態(tài)容限。

下面圖 3 中的曲線(xiàn)圖突出顯示了 LTC3256 的優(yōu)良功耗特性。在 12V_IN 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到 3W。也就是說(shuō) LTC3256 的功耗少了 2.25W，對于設計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

結論

眾所周知，在初始設計過(guò)程中需要謹慎地關(guān)注 EMI 考慮因素，以確保它們將在系統設計完成之時(shí)順利通過(guò) EMI 測試。迄今為止，除了非常低功率系統之外，還沒(méi)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?xún)�。不過(guò)，隨著(zhù)最近 LTC3256 高電壓充電泵等低 EMI 穩壓器的推出，現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 (當與線(xiàn)性穩壓器相比)，而且不必應對采用開(kāi)關(guān)穩壓器時(shí)存在的補償、布局、磁學(xué)和 EMI 問(wèn)題。