不言而喻，PC電路板的布局設計決定了每一種電源設計的成敗。它決定了一個(gè)電源的功能、電磁干擾(EMI)和熱行為。雖然開(kāi)關(guān)電源布局不是黑魔法，但在設計過(guò)程中會(huì )經(jīng)常被忽視，最終發(fā)現其至關(guān)重要卻為時(shí)已晚。因此需要一種行之有效的方法，從一開(kāi)始就削弱這些潛在的EMI威脅，方能確保電源安靜而穩定。
首先，就是因為模擬電源設計人員不足，所以要求越來(lái)越多的數字設計人員進(jìn)行開(kāi)關(guān)模式電源設計！雖然大多數數字設計人員都知道如何使用簡(jiǎn)單的線(xiàn)性穩壓器，但并非所有設計都要求降壓（降壓模式）。事實(shí)上，很多是升壓模式（升壓），甚至是降壓-升壓拓撲（降壓和升壓模式相結合）。
顯然，許多電子系統制造商都面臨一個(gè)問(wèn)題：如何實(shí)現系統所需的所有開(kāi)關(guān)模式電源電路？
01 解決設計資源短缺問(wèn)題
在本文中，我將介紹降壓穩壓器工作的一些基本原理，包括開(kāi)關(guān)穩壓器熱回路中的高di/dt和寄生電感如何導致電磁噪聲和開(kāi)關(guān)振鈴。然后我們將看看如何減少高頻噪聲。我還將介紹ADI的Power by LinearTM Silent Switcher®技術(shù)，包括它如何構成，并演示它如何幫助解決EMI問(wèn)題，且絲毫不會(huì )影響性能。其中還包括SilentSwitcher器件如何工作。
我還將概述Silent Switcher的封裝和布局，討論這些封裝和布局如何提高降壓轉換器的整體性能。此外，我將演示如何將此技術(shù)融入我們的μModule®穩壓器，從而提高SilentSwitcher器件的集成度。對于不熟悉開(kāi)關(guān)模式電源設計技術(shù)的設計人員，這些簡(jiǎn)單易用的解決方案會(huì )很有用。
02 基本降壓穩壓器電路
最基本的電源拓撲之一是降壓穩壓器，如圖1所示。EMI從高di/dt回路開(kāi)始。供電線(xiàn)和負載線(xiàn)不應具有高交流電流分量。因此，輸入電容C2應將所有相關(guān)電流的交流分量傳輸至輸出電容C1，所有電流交流分量在這里結束。
圖1. 同步降壓穩壓器原理圖。
參考圖1，在M1關(guān)閉而M2打開(kāi)的開(kāi)啟周期中，交流電流在實(shí)線(xiàn)藍色回路中流動(dòng)。在關(guān)閉周期中，當M1打開(kāi)而M2關(guān)閉時(shí)，交流電流在綠色虛線(xiàn)回路中流動(dòng)。大多數人難以理解，產(chǎn)生最高EMI的回路既不是實(shí)線(xiàn)藍色回路，也不是虛線(xiàn)綠色回路。而是虛線(xiàn)紅色回路中流動(dòng)的全開(kāi)關(guān)交流電流，從零切換至I峰值，再回到零。虛線(xiàn)紅色回路通常指熱回路，因為它有最高交流電流和EMI能量。
導致電磁噪聲和開(kāi)關(guān)振鈴的是開(kāi)關(guān)穩壓器熱回路中的高di/dt和寄生電感。要減少EMI并改進(jìn)功能，需要盡量減少虛線(xiàn)紅色回路的輻射效應。如果我們能夠將虛線(xiàn)紅色回路的PC電路板面積減少到零，并且能夠買(mǎi)到具有零阻抗的理想電容，就能解決這個(gè)問(wèn)題。然而，在現實(shí)世界中，設計工程師所能做的就是找到一個(gè)最佳的折中方案！
那么，這些高頻噪聲到底是從哪里來(lái)的呢？在電子電路中，通過(guò)寄生電阻、電感和電容耦合，在開(kāi)關(guān)轉換過(guò)程中，產(chǎn)生了高頻諧波。知道是哪里產(chǎn)生噪聲，那么如何減少高頻開(kāi)關(guān)噪聲呢？減少噪聲的傳統方式是減慢MOSFET開(kāi)關(guān)邊緣。通過(guò)減慢內部開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器或從外部添加緩沖器，就可以實(shí)現。
但是，這會(huì )降低轉換器的效率，因為增加了開(kāi)關(guān)損耗——特別是當開(kāi)關(guān)穩壓器在高開(kāi)關(guān)頻率（如2MHz）下運行時(shí)。說(shuō)到這里，我們?yōu)楹我?MHz的頻率下運行呢？
實(shí)際上有幾個(gè)原因：
減小輻射，也可使用濾波器和屏蔽，但這需要更多的外部元件和電路板面積。還可采用展頻(SSFM)技術(shù)，但這樣在已知范圍內會(huì )使系統時(shí)鐘抖動(dòng)。SSFM有助于滿(mǎn)足EMI標準要求。EMI能量被打散分布在頻域上。雖然普通開(kāi)關(guān)電源所選的開(kāi)關(guān)頻率通常會(huì )在A(yíng)M頻段之外（530 kHz至1.8 MHz），但在A(yíng)M頻段內，未經(jīng)調制的開(kāi)關(guān)諧波仍可能不符合嚴格的汽車(chē)EMI要求。添加SSFM功能可明顯減少AM頻段內及其他區域中的EMI�；蛘呔褪褂肁DI的Silent Switcher技術(shù)，該技術(shù)能夠滿(mǎn)足上述所有要求：
高效率
高開(kāi)關(guān)頻率
低電磁輻射(EMI)
03 Silent Switcher技術(shù)
Silent Switcher器件無(wú)需減慢開(kāi)關(guān)邊緣速率，解決了EMI和效率之間的權衡問(wèn)題。那么如何才能實(shí)現呢？考慮使用LT8610,a如圖2 左側所示。這是支持42 V輸入的單片（內部有FET）同步降壓轉換器，可提供高達2.5 A的輸出電流。請注意，其左上角有一個(gè)輸入引腳(VIN)
圖2. 如何將LT8610轉換為Silent Switcher器件——LT8614。
但是，將LT8610與LT8614 （支持42V輸入的單片同步降壓轉換器，可提供高達4 A的輸出電流）相比，我們可以看到，LT8614在封裝的另一側有兩個(gè)VIN引腳和兩個(gè)接地引腳。這很重要，因為它是實(shí)現超低噪聲開(kāi)關(guān)的一部分！
04 如何使開(kāi)關(guān)穩壓器具有超低噪聲
如何實(shí)現這個(gè)目標？在芯片另一側的VIN 和接地引腳之間放置兩個(gè)輸入電容可消除磁場(chǎng)�；脽羝型怀鲲@示了這一點(diǎn)，在原理圖和演示板上均用紅色箭頭指向電容的位置，如圖3所示。
圖3. LT8614圖，顯示濾波器電容安置在IC另一側的VIN和接地引腳之間。
05 LT8614產(chǎn)品詳情
LT8614包含Silent Switcher功能。利用該功能，我們通過(guò)使用銅柱倒裝芯片封裝能夠減少寄生電感。此外，還有反向VIN、接地和輸入電容，可消除磁場(chǎng)（適用右手法則）以降低EMI輻射。
由于不需要使用焊線(xiàn)鍵合式裝配技術(shù)所要求的長(cháng)鍵合線(xiàn)，不會(huì )產(chǎn)生大的寄生電阻和電感，從而可減小封裝寄生電感。兩個(gè)對稱(chēng)分布的輸入熱回路產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)相互抵消，并且電回路沒(méi)有凈磁場(chǎng)。
我們將LT8614 Silent Switcher穩壓器與當前先進(jìn)的開(kāi)關(guān)穩壓器LT8610進(jìn)行比較。在GTEM室中，對兩個(gè)器件的標準演示板使用相同負載、相同輸入電壓和相同電感進(jìn)行了測試。我們發(fā)現，與使用LT8610具有很不錯的EMI性能相比，使用LT8614時(shí)還能提高20dB，特別是在管理更高頻率更困難的區域。在整體設計中，與其他敏感系統相比，LT8614開(kāi)關(guān)電源需要的濾波更少、距離更短，從而可以實(shí)現更簡(jiǎn)單緊湊的設計。此外，在時(shí)域內，LT8614在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)邊緣的性能良好。
圖4. LT8614輻射EMI性能可滿(mǎn)足最嚴格的CISPR 25 Class 5限制要求。
06 Silent Switcher器件的進(jìn)一步增強
盡管LT8614具有出色的性能，但我們并沒(méi)有停止改進(jìn)的步伐。于是，LT8640 降壓穩壓器采用Silent Switcher架構，旨在最大限度地減少EMI/EMC輻射，同時(shí)在高達3 MHz的頻率下提供高效率。它采用3 mm × 4 mm QFN封裝，采用集成電源單片式結構，同時(shí)提供所有必需的電路功能，共同構成PCB占用空間最小的解決方案。瞬態(tài)響應性能仍然很出色，任何負載（從零電流到滿(mǎn)電流）時(shí)的輸出電壓紋波低于10 mV p-p。LT8640允許在高頻率下進(jìn)行高VIN到低VOUT轉換，最短開(kāi)關(guān)導通時(shí)間為30 ns。
為改進(jìn)EMI/EMC，LT8640可工作在展頻模式。該功能以20%的三角調頻調整時(shí)鐘。當LT8640處于展頻調制模式時(shí)，使用三角調頻功能在RT設定值與約高于該值20%之間調整開(kāi)關(guān)頻率。調制頻率約為3 kHz。例如，當LT8640設為2 MHz時(shí)，3kHz速率下的頻率將從2MHz至2.4MHz不等。選擇展頻工作模式時(shí)，突發(fā)模式Burst Mode®操作會(huì )禁用，器件將在脈沖跳躍模式或強制連續模式下運行。
然而，盡管我們在Silent Switcher數據手冊中都有說(shuō)明，如提供了原理圖和布局建議，以及將輸入電容放在盡可能靠近IC兩側的位置——有一些客戶(hù)仍然會(huì )出錯。此外，我們的內部工程師也花了太多的時(shí)間來(lái)解決客戶(hù)的PCB布局問(wèn)題。因此，我們的設計人員提出了解決此問(wèn)題的最佳解決方案——Silent Switcher 2架構。
07 Silent Switcher 2
采用Silent Switcher 2技術(shù)，我們只需將電容集成在新LQFN封裝內：VIN電容、IntVCC和升壓電容——盡可能靠近引腳放置。優(yōu)勢是將所有熱回路和接地層都包括在內，從而降低了EMI。外部元件越少，解決方案尺寸就越小。此外，我們還消除了PCB布局敏感性。
如圖5所示，可以看出LT8640和LT8640S 的原理圖有何不同。而營(yíng)銷(xiāo)突破口是為包含內部電容的集成度更高的新版本冠以“S”的后綴。因為它比第一代更“安靜”！
圖5. LT8640S是一款具有更高的電容集成度的Silent Switcher 2器件。
Silent Switcher 2技術(shù)提高了散熱性能。LQFN倒裝芯片封裝上的多個(gè)大尺寸接地裸露焊盤(pán)有助于封裝和PCB散熱。由于我們消除了高電阻鍵合線(xiàn)，因此還提高了轉換效率。LT8640S的EMI性能輕松滿(mǎn)足輻射EMI性能CISPR 25 Class 5峰值限制要求并且有較大的裕量。
下一步：
所有組件都與Silent Switcher 2 μModule穩壓器集成
Silent Switcher技術(shù)如此引人注目，我們選擇將其融入我們的 μModule穩壓器產(chǎn)品線(xiàn)。所有組件都集成在一個(gè)小尺寸封裝中，為用戶(hù)提供了一個(gè)簡(jiǎn)單可靠、高性能和高電源密度的解決方案。 LTM8053 和LTM8073是幾乎集成了所有組件的微型模塊穩壓器，只有少量電容和電阻接在外部。
圖6. LTM8053 Silent Switcher 2 μModule。
總 結
綜上所述，Silent Switcher功能和優(yōu)勢將使您的開(kāi)關(guān)模式電源設計更容易滿(mǎn)足CISPR 32和CISPR 25等各種抗噪標準要求。它們能夠輕松有效地做到這一點(diǎn)是由于以下特性：
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能夠在大于2 MHz開(kāi)關(guān)頻率下進(jìn)行高效轉換，并且對轉換效率的影響最小。
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內部旁路電容減少EMI輻射并提供更緊湊的解決方案占板空間。
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采用Silent Switcher 2技術(shù)基本上消除了PCB布局的敏感性。
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可選展頻調制有助于降低噪聲敏感度。
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使用Silent Switcher器件既可節省PCB面積，又可減少所需的層數。
