簡(jiǎn)介

嚴苛的汽車(chē)和工業(yè)環(huán)境中的噪聲敏感型應用需要適用于狹小空間的低噪聲、高效率降壓穩壓器。通常會(huì )選擇內置MOSFET功率開(kāi)關(guān)的單片式降壓穩壓器，與傳統控制器IC和外部MOSFET相比，這種整體解決方案的尺寸相對較小�？稍诟哳l率（遠高于AM頻段的2 MHz范圍內）下工作的單片式穩壓器也有助于減小外部元件的尺寸。此外，如果穩壓器的最小導通時(shí)間(T_ON)較低，則無(wú)需中間穩壓，可直接在較高的電壓軌上工作，從而節約空間并降低復雜性。減少最小導通時(shí)間需要快速開(kāi)關(guān)邊沿和最小死區時(shí)間控制，以有效減少開(kāi)關(guān)損耗并支持高開(kāi)關(guān)頻率操作。

另一種節約空間的方式是減少所需的組件數，以滿(mǎn)足電磁干擾(EMI)標準和散熱要求。遺憾的是，在很多情況下，簡(jiǎn)單地縮減轉換器尺寸難以滿(mǎn)足這些需求。本文介紹的先進(jìn)解決方案可節約空間，同時(shí)可實(shí)現低EMI和出色的散熱性能。

選擇開(kāi)關(guān)模式電源轉換器是由于其效率高，尤其是在高降壓比下，但需要權衡開(kāi)關(guān)操作產(chǎn)生的EMI因素。在降壓轉換器中，開(kāi)關(guān)中的快速電流變化（高di/dt）和熱回路中寄生電感導致的開(kāi)關(guān)振鈴會(huì )產(chǎn)生EMI。

EMI只是系統設計工程師在嘗試設計緊湊型高性能電源時(shí)必須考慮的參數之一。許多關(guān)鍵設計約束通常相互沖突，需要在設計限制和上市時(shí)間方面做出重大妥協(xié)。

提高EMI性能

要減少降壓轉換器中的EMI，必須盡量減少熱回路的輻射效應，并使源極信號最小。有多種方式可減少輻射EMI，但其中很多也會(huì )同時(shí)降低穩壓器的性能。

例如，在典型的分立式FET降壓穩壓器中，通過(guò)外部柵極電阻、升壓電阻或緩沖器來(lái)降低開(kāi)關(guān)邊沿的速度，以減少EMI，這也是符合汽車(chē)工業(yè)嚴格的輻射排放標準的最后一種解救方法。這樣快速解決EMI問(wèn)題均以損失性能為代價(jià)；例如效率降低、組件數目增多，解決方案尺寸加大。開(kāi)關(guān)邊沿速度慢則會(huì )增加開(kāi)關(guān)損耗和占空比損失。轉換器必須在較低的頻率下工作（例如，400 kHz）才能獲得令人滿(mǎn)意的效率，并通過(guò)強制性電磁輻射EMI測試。圖1顯示了分別具有快開(kāi)關(guān)邊沿和慢開(kāi)關(guān)邊沿的典型開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓波形。如圖所示，開(kāi)關(guān)邊沿速度明顯變慢，導致開(kāi)關(guān)損耗增加，最小占空比或降壓比顯著(zhù)增加，更不用說(shuō)對性能產(chǎn)生的其他負面影響。

降低開(kāi)關(guān)頻率也會(huì )增加轉換器電感、輸出電容和輸入電容的物理尺寸。同時(shí)，需要使用一個(gè)大尺寸π濾波器以通過(guò)傳導輻射測試。隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率降低，濾波器中的電感L和電容C需相應增大。在低壓線(xiàn)路滿(mǎn)載條件下，電感電流額定值應大于最大輸入電流。因此，前端需要使用一個(gè)大尺寸電感和多個(gè)電容以符合嚴格的EMI標準。

例如，在400 kHz（而不是2 MHz）開(kāi)關(guān)頻率下，除了增加電感和電容的尺寸外，EMI濾波器中的電感和電容也必須相對較大，才能達到汽車(chē)應用中的傳導EMI標準要求。其中一個(gè)原因是它們不僅必須衰減400 kHz的開(kāi)關(guān)基頻，還必須衰減高達1.8 MHz的所有諧波。工作頻率為2 MHz的穩壓器就沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題。圖2為2 MHz解決方案和400 kHz解決方案的尺寸對比。

屏蔽可能是減少電磁輻射的最后一種補救方式，但屏蔽需要占用空間，而應用可能無(wú)法提供，并且需要進(jìn)行額外的機械設計和測試迭代。

為避開(kāi)AM頻率帶寬并保持較小的解決方案尺寸，汽車(chē)應用首選2 MHz或更高的開(kāi)關(guān)頻率。避免AM頻段后，就只有確保將高頻噪聲（也稱(chēng)為諧波）和開(kāi)關(guān)振鈴降至最低的問(wèn)題。遺憾的是，高頻開(kāi)關(guān)通常會(huì )導致電磁輻射從30 MHz增加到1 GHz。

有些開(kāi)關(guān)穩壓器具有快速干凈的開(kāi)關(guān)邊沿，可減少EMI，如ADI Power by Linear™系列中的Silent Switcher^®器件。我們先來(lái)看看其他一些有用的功能。

圖1.慢開(kāi)關(guān)邊沿意味著(zhù)除了占空比損耗之外，還存在大量開(kāi)關(guān)損耗。

圖2.2 MHz解決方案與400 kHz解決方案尺寸對比。

展頻(SSFM)是一項在已知范圍內使系統時(shí)鐘抖動(dòng)的技術(shù)，由此將EMI能量分布在頻域上。雖然普通開(kāi)關(guān)電源所選的開(kāi)關(guān)頻率通常會(huì )在AM頻段之外（530 kHz至1.8 MHz），但在AM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。

圖3顯示了一個(gè)超低EMI且高效率的12 V至5 V/5 A轉換器，其使用LT8636 Silent Switcher單片式降壓穩壓器在2 MHz開(kāi)關(guān)頻率下工作。圖4顯示了測試演示電路在14 V輸入和5 V、5 A輸出時(shí)的傳導和輻射EMI性能。在前端，小電感和陶瓷電容有助于濾除傳導噪聲，而鐵氧體磁珠和陶瓷電容有助于減少輻射噪聲。兩個(gè)小陶瓷電容放在輸入和接地引腳上，將熱回路面積減至最小，同時(shí)分離熱回路，幫助消除高頻噪聲。

為改進(jìn)EMI性能，電路設置為在展頻模式下工作：SYNC/MODE = INTV_CC。使用三角頻率調制來(lái)調節開(kāi)關(guān)頻率，調節范圍為R_T設置的值到比該值約高20%，即LT8636設為2 MHz時(shí)，在3 kHz速率下，頻率將在2 MHz至2.4 MHz之間變化。

圖3.展頻模式下的超低EMI LT8636 5 V/5 A降壓轉換器，峰值電流為7 A，工作電壓5.7 V至42 V。

圖4.具有和沒(méi)有展頻模式的CISPR 25電磁輻射EMI。

從傳導EMI頻譜可以明顯看出，峰值諧波能量被分散開(kāi)來(lái)，從而降低了任何特定頻率的峰值幅度—由于擴頻功能，噪聲至少減少了20 dBμV/m。從輻射EMI頻譜也可以明顯看出，展頻模式也可以減少輻射EMI。該電路符合嚴苛的汽車(chē)級CISPR 25 Class 5輻射EMI要求，僅需在輸入側使用簡(jiǎn)單的EMI濾波器。

整個(gè)負載范圍內的高效率

汽車(chē)應用中的電子器件數量只增不減，大多數器件的每次設計迭代都需要更多的電源電流。有源負載電流如此高，重載效率和適當的熱管理就成為首要考慮因素，可靠的運行取決于散熱管理，不受控制產(chǎn)生熱量可能會(huì )導致代價(jià)高昂的設計問(wèn)題。

系統設計人員也關(guān)注輕載效率，由于電池使用壽命主要取決于輕載或空載時(shí)的靜態(tài)電流，因此輕載效率和重載效率一樣重要。必須在硅芯片和系統級設計中權衡滿(mǎn)載效率、空載靜態(tài)電流和輕載效率。, , ,

為了在滿(mǎn)載時(shí)達到高效率，應最小化FET（特別是底部FET）的R_DS(ON)，這看起來(lái)很簡(jiǎn)單。但是，具有低R_DS(ON)的晶體管的電容通常相對較高，開(kāi)關(guān)和柵極驅動(dòng)損耗隨之增加，也會(huì )增加裸片尺寸和成本。相反，LT8636單片式穩壓器具有很低的MOSFET傳導電阻，在滿(mǎn)載條件下的效率很高。LT8636在靜止空氣中的最大輸出電流為5 A連續電流和7 A峰值電流，沒(méi)有任何額外的散熱器，從而簡(jiǎn)化了可靠的設計。

為了提高輕載效率，在低紋波Burst Mode^®（突發(fā)工作模式）下工作的穩壓器將輸入電容充電至所需的輸出電壓，同時(shí)最小化輸入靜態(tài)電流和輸出電壓紋波。在突發(fā)工作模式下，電流以短脈沖的形式傳遞到輸出電容，然后進(jìn)入相對較長(cháng)的休眠期，在此期間，大多數控制（邏輯）電路關(guān)閉。

為了提高輕載效率，可選用更大值的電感，因為在短脈沖期間可向輸出傳遞更多能量，降壓穩壓器也可在每個(gè)脈沖之間的休眠模式下保持更長(cháng)時(shí)間。通過(guò)盡可能延長(cháng)脈沖之間的時(shí)間，盡量減少每個(gè)短脈沖的開(kāi)關(guān)損耗，單片式降壓轉換器靜態(tài)電流可在單片式穩壓器（如LT8636）中達到2.5 μA。而市場(chǎng)上的典型部件為幾十甚至幾百μA。

圖5顯示使用LT8636的汽車(chē)應用由12 V輸入提供3.8 V/5 A輸出的高效率解決方案。電路在400 kHz下運行可達到高效率，并使用XAL7050-103 10 μH電感。在低至4 mA和高至5 A的負載下，可保持90%以上的效率。峰值效率在1 A時(shí)為96%。

圖5.采用XAL7050-103電感的12 V至3.8 V/5 A解決方案的效率(f_SW = 400 kHz)。

圖6顯示該解決方案1 μA至5 A時(shí)的效率。內部穩壓器由5 V輸出通過(guò)BIAS引腳供電，以盡可能降低功耗。峰值效率達到95%；由13.5 V輸入提供5 V輸出的滿(mǎn)載效率為92%。對于5 V應用低至30 mA的負載，輕載效率保持在89%或以上。轉換器在2 MHz下運行，測試用電感為XEL6060-222，以?xún)?yōu)化相對緊湊型解決方案中的重載和輕載效率。使用更大的電感，可將輕載效率進(jìn)一步提高到90%以上。反饋電阻分壓器中的電流以負載電流形式出現在輸出端時(shí)降至最低。

圖6.使用XEL6060-222電感和LT8636的13.5 V至5 V和3.3 V解決方案的效率(f_SW = 2 MHz)。

圖7顯示該解決方案在4 A恒定負載和4 A脈沖負載（共8 A脈沖負載）以及10%占空比(2.5 ms)下的熱性能 — 靜止空氣環(huán)境室溫下，13.5 V輸入。即使在40 W脈沖功率和2 MHz開(kāi)關(guān)頻率下，LT8636外殼溫度都保持低于40°C，使得電路在沒(méi)有風(fēng)扇或散熱器的情況下也能短時(shí)間內以高達8 A電流安全運行。由于采用增強散熱型封裝技術(shù)，并且LT8636在高頻率下具有高效率，因此采用3 mm × 4 mm LQFN封裝可實(shí)現這一目標。

圖7.3 mm × 4 mm LT8636在13.5 V至5 V/4 A恒定負載加4 A脈沖負載（10%占空比）下的熱圖顯示溫度上升。

通過(guò)高頻操作縮小解決方案尺寸

汽車(chē)應用中的空間越來(lái)越寶貴，因此必須縮小電源尺寸以便置入電路板中。提高電源開(kāi)關(guān)頻率可使用電容和電感等較小的外部組件。此外，如前所述，在汽車(chē)應用中，高于2 MHz（或低于400 kHz）的開(kāi)關(guān)頻率可將基頻保持在AM無(wú)線(xiàn)電頻段之外。我們來(lái)比較一下常用的400 kHz設計和2 MHz設計。在這種情況下，增加五倍開(kāi)關(guān)頻率達到2 MHz會(huì )將所需電感和輸出電容減少到400 kHz設計的五分之一。似乎很容易。然而，由于使用高頻解決方案本身就需要進(jìn)行一些權衡考量，因此即使支持高頻的IC也可能無(wú)法在許多應用中使用。

例如，在高降壓比應用中的高頻操作需要較低的最小導通時(shí)間。根據方程V_OUT = T_ON × f_SW × V_IN，在2 MHz操作頻率下，需要約50 ns的最小開(kāi)關(guān)導通時(shí)間(T_ON)才能通過(guò)24 V輸入電壓產(chǎn)生3.3 V輸出電壓。如果電源IC無(wú)法實(shí)現此低導通時(shí)間，則必須跳過(guò)脈沖以保持低穩壓輸出 — 實(shí)質(zhì)上無(wú)法達到高開(kāi)關(guān)頻率的目的。換言之，等效開(kāi)關(guān)頻率（由于脈沖跳躍）可能在AM頻段。由于最小開(kāi)關(guān)導通時(shí)間為30 ns，LT8636允許在2 MHz下直接從高V_IN轉換為低V_OUT。與之相比，許多器件限制為最小>75 ns，這就需要它們在低頻率(400 kHz)下操作，從而實(shí)現更高的降壓比以避免跳躍脈沖。

高開(kāi)關(guān)頻率的另一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是開(kāi)關(guān)損耗趨于增加。與開(kāi)關(guān)相關(guān)的損耗包括開(kāi)關(guān)導通損耗、關(guān)斷損耗和柵極驅動(dòng)損耗 — 都與開(kāi)關(guān)頻率近似線(xiàn)性相關(guān)�？s短開(kāi)關(guān)導通和關(guān)斷時(shí)間可改善這些損耗特性。LT8636開(kāi)關(guān)導通和關(guān)斷時(shí)間很短，不到5 V/ns，可實(shí)現最小死區時(shí)間和最小二極管時(shí)間，從而降低了高頻下的開(kāi)關(guān)損耗。

本解決方案中使用的LT8636采用3 mm × 4 mm QFN封裝以及具有集成電源開(kāi)關(guān)的單片式結構，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。IC下方的大面積裸露接地焊盤(pán)通過(guò)極低的熱阻(26°C/W)路徑將熱量引導到PCB，從而減少了額外的熱管理需求。此封裝采用FMEA兼容設計。Silent Switcher技術(shù)減少了熱回路的PCB面積，因此使用簡(jiǎn)單的濾波器即可輕松解決這種高開(kāi)關(guān)頻率下的輻射EMI問(wèn)題，如圖3所示。

結論

只要精心選擇IC，無(wú)需反復權衡考量，就可以生產(chǎn)出適合汽車(chē)應用的緊湊型高性能電源。就是說(shuō)，可以同時(shí)實(shí)現高效率、高開(kāi)關(guān)頻率和低EMI。為了舉證說(shuō)明可實(shí)現的緊湊型設計，本文中的解決方案選擇使用LT8636，這是一款采用3 mm × 4 mm LQFN封裝的42 V、5 A連續/7 A峰值單片式降壓Silent Switcher穩壓器。在此IC中，V_IN引腳分離并對稱(chēng)放置在IC上，從而分離了高頻熱回路，使磁場(chǎng)相互抵消，以抑制電磁輻射EMI。此外，同步設計和快速開(kāi)關(guān)邊沿可提高重載效率，而低紋波突發(fā)工作模式對輕載效率有利。

LT8636的3.4 V到42 V輸入范圍和低壓差也適用于汽車(chē)應用，使其能夠在汽車(chē)啟動(dòng)或負載突降情況下工作。在汽車(chē)應用中，系統設計人員在嘗試縮小電源解決方案尺寸時(shí)往往會(huì )面對很多權衡考量，但采用本文中的設計，設計人員無(wú)需權衡即可實(shí)現所有性能目標。

作者簡(jiǎn)介

Zhongming Ye是ADI公司的一名電源產(chǎn)品應用工程師，工作地點(diǎn)位于美國加利福尼亞州圣克拉拉。他自2009年以來(lái)一直在凌力爾特（現為ADI公司的一部分）工作，負責提供各種不同產(chǎn)品的應用支持，包括降壓、升壓、反激式和正激式轉換器。他在電源管理領(lǐng)域的關(guān)注點(diǎn)包括面向汽車(chē)、醫療和工業(yè)應用的高效率、高功率密度和低EMI的高性能電源轉換器和穩壓器。在加入凌力爾特之前，他在Intersil工作了三年，從事隔離式電源產(chǎn)品的PWM控制器相關(guān)工作。他擁有加拿大金斯頓女王大學(xué)電氣工程博士學(xué)位。Zhongming是IEEE電力電子學(xué)會(huì )的高級會(huì )員。