作為電子系統中必不可少的部分，電源模塊極最常見(jiàn)，同時(shí)也是極考驗硬件工程師功力的部分之一。電源模塊是電子系統中對電能實(shí)現轉換、分配、控制和監測等功能的子系統，整個(gè)電子系統的功耗、性能、成本和體積都與電源模塊設計直接相關(guān)�，F代大型電子系統正在向高集成、高速、高增益、高可靠性方向發(fā)展，電源上的微小干擾都會(huì )對電子設備性能產(chǎn)生影響，這就需要設計出低噪聲、抗紋波能力強的電源模塊；而在便攜式設備中，電池供電情況越來(lái)越多，這就對續航時(shí)間提出了高要求，這通常對應著(zhù)其電源模塊高效、高可靠和低靜態(tài)電流的極致要求。
總之，電源模塊設計是電子系統性能發(fā)揮的基礎，只有做好系統的電源模塊設計之后，才有機會(huì )去追求性能和穩健地實(shí)現系統的所有功能。而電源模塊設計極為重要的就是如何選合適的芯片和技術(shù)方案。通常，根據電源模塊中各個(gè)支路的情況，確定輸入和輸出電壓差，然后根據應用需求，在效率指標、散熱限制、噪聲要求、系統復雜性和成本等多個(gè)條件約束下，就能選出最合適的電源芯片，然后根據選定的電源芯片來(lái)實(shí)現相應的電源轉換與分配的功能。
根據應用場(chǎng)景，電源模塊可以分為交流到直流（AC-DC）轉換電源模塊和直流到直流（DC-DC）轉換電源模塊，其中AC-DC電源模塊通常用于直接用市電的設備，而DC-DC電源模塊則只能接入直流電源，然后在直流電源輸入的基礎上去分壓或升壓，為系統各模塊供應所需的電壓和電流。
而根據工作原理上，電源芯片可分為線(xiàn)性電源芯片和開(kāi)關(guān)電源芯片。線(xiàn)性電源也被稱(chēng)為低壓差線(xiàn)性穩壓器（Low
Drop Out
Regulator，簡(jiǎn)稱(chēng)LDO）芯片，其原理是通過(guò)晶體管壓降來(lái)調節輸出電壓，只能實(shí)現降壓輸出，無(wú)法實(shí)現升壓輸出，與開(kāi)關(guān)電源芯片相比，LDO通常具有體積小、噪聲低、使用方便等特點(diǎn)。
開(kāi)關(guān)電源芯片采用脈寬調制（PWM）方式工作，可實(shí)現升降壓輸出，而且效率高、功耗低，但由于采用PWM方式工作，所以會(huì )產(chǎn)生電磁干擾（EMI），因而通常噪聲也比相對應的LDO要大。
按實(shí)現方法，開(kāi)關(guān)電源可分為兩類(lèi)，即電感式DC-DC電源芯片與基于開(kāi)關(guān)電容的DC-DC變換器（即電荷泵式DC-DC芯片）。電荷泵式DC-DC芯片采用電容作為開(kāi)關(guān)和儲能元件，與電感式DC-DC電源芯片相比，具有效率高、體積小、靜態(tài)電流低、輸出電壓調節范圍寬、Vmin低、噪聲低和EMI低等優(yōu)點(diǎn)，而且電容比電感更易于集成，因而電荷泵式電源芯片可以實(shí)現更高集成度。在小功率應用中，電荷泵式DC-DC開(kāi)關(guān)電源芯片具有很大優(yōu)勢，但電荷泵式電源芯片不適合高電壓、大功率場(chǎng)景，因而在高功率應用中，電感式DC-DC電源芯片還居于主導地位。
在有高性能處理器、大型FPGA等大芯片的復雜系統中，由于電流消耗可達數安培到幾十安培，通常需要組合使用開(kāi)關(guān)電源和LDO。復雜系統中易受干擾的模擬電路，通常由LDO芯片來(lái)供電；且數字部分因為電流大因而對效率要求高，而數字電路本身抗干擾性更強，因此更適合用開(kāi)關(guān)電源來(lái)供電。開(kāi)關(guān)電源、LDO和各種保護器件與被動(dòng)元件的組合，構建起了復雜系統的電源分布式體系。
總之，LDO和開(kāi)關(guān)電源是所有電子設備中電源模塊的核心，電子系統發(fā)展也對電源芯片提出了更高要求，研發(fā)人員不斷嘗試更新的制造工藝、封裝技術(shù)與電路拓撲，以達到更極致的性能或體積、成本等其他指標。下面我們就從電源芯片的發(fā)展趨勢來(lái)看一看該如何選擇合適的電源芯片。
更小靜態(tài)電流——實(shí)現更低損耗
手機（含智能手機和功能機）每年出貨量近20億部，筆記本電腦每年出貨量過(guò)億臺，而隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，越來(lái)越多的電池供電設備接入網(wǎng)絡(luò )，這些設備典型工作狀態(tài)為短暫激活，相對較長(cháng)時(shí)間休眠，通常需要在不更換電池的情況下，工作一整年，甚至三到五年。此類(lèi)應用對電源芯片提出極高要求，既要有極低的靜態(tài)電流，以保持輕載或無(wú)負載時(shí)的電源效率，滿(mǎn)足設備對電池供電長(cháng)續航時(shí)間的要求，又得滿(mǎn)足重負載情況下系統對供電能力的要求，要做好并不容易。
貿澤電子在售的來(lái)自制造商Analog
Devices（ADI）的LT3009，就是一款可以同時(shí)滿(mǎn)足微安（uA）級靜態(tài)工作電流與20毫安（mA）大驅動(dòng)能力的LDO芯片。具體來(lái)看，LT3009無(wú)負載靜態(tài)電流為3uA，可以在280mV壓差（輸入/輸出）情況下提供20mA輸出電流，輸入電壓范圍為1.6V至20V，輸出電壓范圍為0.6V至19.5V。此外，LT3009僅需要1uF的電容就可以保證輸出電源的穩定性和瞬時(shí)響應，內部集成了限流、限溫、電池接反保護和反向電流保護等防護功能，可有效保證便攜設備的用電安全。
圖1：LT3009壓降與靜態(tài)電流關(guān)系（圖源：ADI）
總體來(lái)看，LT3009非常適合既需要超低待機功耗，又能支持中等強度驅動(dòng)能力的應用場(chǎng)景，除了常見(jiàn)的手持設備，還可用于氣表、水表和門(mén)禁等應用。LT3009在節能方面尤其出色，負載增加時(shí)，接地腳的電流永遠不超過(guò)輸出電流的5%，而在關(guān)機時(shí)，靜態(tài)電流低于1uA。
圖2：LT3009典型應用電路（圖源：ADI）
更低EMI
降低EMI（電磁干擾）主要針對開(kāi)關(guān)電源芯片（Switch
Regulator）。開(kāi)關(guān)電源芯片由于工作在脈寬調制狀態(tài)，開(kāi)關(guān)頻率多為幾百KHz到數MHz，甚至更高，因而開(kāi)關(guān)電源本身是干擾源。如果開(kāi)關(guān)電源電路在實(shí)現時(shí)參數設置不理想，將會(huì )加重其發(fā)出的電磁干擾，有時(shí)候設備電磁兼容性測試通不過(guò)，可能就因為開(kāi)關(guān)電源部分沒(méi)處理好。
在設備電路板上降低EMI的方法主要有加屏蔽或加濾波（電路可改造），降低開(kāi)關(guān)波形上升斜率，如果芯片具備展頻功能則還可以打開(kāi)展頻功能，以及修改PCB走線(xiàn)�？傮w上板級優(yōu)化EMI的方法都有代價(jià)，例如增加成本或者影響電源性能。最好的解決方法，是開(kāi)關(guān)電源芯片本身充分考慮了板級實(shí)現時(shí)的電磁干擾問(wèn)題，在芯片級將EMI問(wèn)題解決掉，成本低，系統性能也不會(huì )受到影響。
ADI的Silent
Switcher技術(shù)，即在芯片級大幅改善了開(kāi)關(guān)電源的EMI表現，從而可以在不影響電源性能的前提下有效地降低EMI，而且不增加外部元器件，是一種簡(jiǎn)單高效的低成本解決方法。
圖3：傳統電流回路拓撲（左）與Silent Switcher拓撲（右）（圖源：ADI）
在原理上，ADI的Silent
Switcher技術(shù)將形成兩個(gè)對稱(chēng)分布的電流回路，這兩個(gè)回路產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，因而能量相互抵消，從而模塊電氣回路對外沒(méi)有凈磁場(chǎng)。所以，Silent
Switcher技術(shù)無(wú)須降低晶體管開(kāi)關(guān)速度，解決了EMI和效率之間的互斥問(wèn)題。
圖4：Silent Switcher電磁場(chǎng)示意圖（圖源：ADI）
此外，Silent
Switcher技術(shù)采用銅柱倒裝封裝工藝，可以大幅降低芯片管腳寄生阻抗，因此不僅可以減小EMI，還可以提升開(kāi)關(guān)電源的效率。
圖5：傳統封裝（左）與銅柱倒裝封裝（右）對比（圖源：ADI）
如今，Silent Switcher已經(jīng)發(fā)展到了第二代，例如LT8650S即采用第二代Silent
Switcher技術(shù)，與第一代Silent
Switcher相比，將兩個(gè)外部匹配電容集成到芯片內部，即減少了外部元件，又同時(shí)可縮小回路面積，降低EMI，改善了對PCB的適應性，硬件工程師在采用LT8650S設計電路時(shí)自由度更高。
圖6：Silent Switcher 1需要外部回路電容（左）
Silent Switcher
2將回路電容集成到芯片內部，設計更簡(jiǎn)單（右）（圖源：ADI）
從實(shí)測結果來(lái)看，采用一代Silent Switcher技術(shù)的LT8614與傳統LDO
LT8610在同等條件下的波形對比，LT8614比LT8610改善約20dB，而集成二代Silent
Switcher技術(shù)的LT8650，EMI性能還要好。
圖7：一代Silent Switcher提升EMI特性測試結果（圖源：ADI）
更低噪聲、更高精度
除了EMI，在醫療電子、精密儀器設備、高精度電源與通信基礎設施等應用中，對于電源芯片本身噪聲和電源紋波抑制比（PSRR）要求也非常高，因為在這些應用中，通常有易敏感電路模塊，例如ADC、DAC電路、精密放大器、高頻振蕩器、時(shí)鐘和PLL等，如果電源不干凈，這些易敏感電路的性能會(huì )大受影響，由于敏感電路對于噪聲要求高，所以通常該模塊只能由抑制噪聲更出色的LDO芯片來(lái)供電。隨著(zhù)市場(chǎng)應用的變化，敏感精密電路技術(shù)持續發(fā)展，不斷推動(dòng)精密LDO電源芯片在更低噪聲、更高精度方向更進(jìn)一步。
LDO的噪聲來(lái)自?xún)刹糠�，內部噪聲及外部噪聲。內部噪聲主要有熱噪聲�?/f噪聲，這兩種噪聲與LDO設計和半導體工藝相關(guān)。外部噪聲有很多來(lái)源，常見(jiàn)的是LDO輸入電源（通常是由開(kāi)關(guān)電源芯片輸出來(lái)供電）的噪聲。由于LDO具有高增益，可以確保良好的線(xiàn)路和負載調整性能，因此它能夠衰減來(lái)自輸入電源的噪聲和紋波，這就是LDO的電源紋波抑制比，由于LDO帶寬有限，因此其PSRR隨著(zhù)頻率提高而降低。LDO帶寬之外的噪聲無(wú)法通過(guò)LDO本身進(jìn)行衰減，需要利用無(wú)源濾波器來(lái)降低。
貿澤電子在售的來(lái)自ADI的LT3042就是一款超低噪聲、超高PSRR架構，適用于敏感電路應用的LDO芯片。LT3042在10Hz至100kHz的RMS噪聲僅為0.8uV（RMS值），10kHz時(shí)點(diǎn)噪聲僅為2nV/Hz，在1MHz時(shí)PSRR還有79dB。下圖8為L(cháng)T3042的典型應用電路和PSRR參數。
圖8：LT3042的典型應用電路（左）和PSRR參數（右）（圖源：ADI）
LT3042在0至15V的寬輸出電壓范圍內，可提供幾乎恒定的內部噪聲、PSRR、帶寬和負載調整率，這些參數與輸出電壓無(wú)關(guān)，非常適合作為高精度電流基準，并可以通過(guò)級聯(lián)來(lái)進(jìn)一步降低噪聲。
更好的隔離
前面說(shuō)的都是小功率應用，在大功率應用中，同樣少不了電源芯片。而大功率應用相比小功率應用有附加的要求，即隔離。隔離的功能是切斷電子系統中的大電流、高電壓模塊與小電流、低電壓模塊之間的直接回路，通過(guò)耦合的方式來(lái)傳遞控制信號，以實(shí)現對操作人員及低壓電路模塊的保護，并減少高壓大電流模塊對低壓電路部分的干擾。
光耦隔離是較傳統的隔離方法，但光耦隔離方案存在不少弊端，例如易老化、速度慢和功耗高等。但在數字隔離技術(shù)出現之前，光耦是極為合適的隔離方案。在1990年代末期，數字隔離技術(shù)開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化，由于其在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器所無(wú)法比擬的巨大優(yōu)勢，因而一推出就廣受市場(chǎng)好評。
其中ADI是數字隔離技術(shù)的領(lǐng)導廠(chǎng)商之一，憑借其iCoupler數字隔離芯片和uModule
BGA數字隔離技術(shù)，已經(jīng)出貨超過(guò)30億個(gè)隔離通道。貿澤電子在售的ADUM6421A就是一款集成了四個(gè)iCoupler開(kāi)關(guān)鍵控(OOK)數字隔離通道和iCoupler芯片級isoPower變壓器技術(shù)的DC/DC開(kāi)關(guān)電源芯片，利用ADI的技術(shù)，可支持在500mW隔離電源中實(shí)現小尺寸集成式、增強隔離信號和電源解決方案。
ADUM6421A共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）可達100kV/µs，滿(mǎn)足增強隔離要求，而且對EMI做了優(yōu)化，在2層PCB上滿(mǎn)載時(shí)符合CISPR
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B級發(fā)射限制。
小型化
小型化是當前電源模塊技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，小型化可以減少占用PCB面積，減少設備重量，方便設備集成更多功能，電源芯片或模塊小型化對于硬件工程師而言意義重大。但小型化意味著(zhù)高功率密度，即同樣體積提供更多功率輸出，這就要求電源芯片具備更高的轉換效率與更好的散熱性能。
研發(fā)人員通過(guò)應用四個(gè)方向的技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足電源小型化需求。首先，采用更好的半導體工藝來(lái)降低芯片本身散發(fā)出來(lái)的熱量；其次，采用創(chuàng )新線(xiàn)路拓撲與結構，以降低對外部無(wú)源器件的要求，從而用小尺寸無(wú)源器件也能滿(mǎn)足系統要求；第三，創(chuàng )新的封裝技術(shù)以增強電源芯片散熱能力；最后，通過(guò)異質(zhì)集成來(lái)減少寄生參數和芯片尺寸。
ADI在這幾個(gè)方向都有很突出的表現。一個(gè)典型案例是對低壓大電流FPGA芯片供電方案的改進(jìn)。在2010年，對需要100A電流的FPGA，ADI需要12片LTM4601；到2012年，4片LTM4620并聯(lián)，就可以輸出100A電流；2014年推出的LTM4630則只需要3片并聯(lián)，即可輸出100A電流；2016年推出的LTM4650僅需2片，就能滿(mǎn)足百安電流供電。但這還不是重點(diǎn)，如今ADI已經(jīng)推出的LTM4700實(shí)現了單片供電100A。
LTM系列進(jìn)化史，在封裝技術(shù)上的演進(jìn)就特別明顯，從普通塑料封裝，到加入金屬散熱襯底，再到發(fā)展出自己的元件封裝（Component
on
Package，簡(jiǎn)稱(chēng)CoP）。CoP這是一種立體封裝技術(shù)，該技術(shù)將大功率電源芯片外配的電感通過(guò)封裝技術(shù)放置于芯片上方，將其作為散熱器裸露于氣流中，這樣既不占用PCB面積，又提升了散熱性能，從而可以提高功率密度。
總結
電子設備日新月異，推動(dòng)電源技術(shù)不斷發(fā)展，電子設備對安全節能、便攜易用與性能等的共性要求，反饋到電源芯片上，就需要芯片研發(fā)人員開(kāi)發(fā)出更高效能、更低功耗、更智能化的綠色電源芯片，以實(shí)現更高功率密度、更長(cháng)電池壽命、更低EMI干擾、更優(yōu)電源和信號完整性以及高壓下的安全性等目標，推動(dòng)著(zhù)電源芯片研發(fā)人員持續創(chuàng )新。反過(guò)來(lái)，電源芯片技術(shù)的不斷創(chuàng )新，也給電子設備研發(fā)人員更多激勵和資源，給了工程師做電源設計時(shí)更多選擇，從而可以把這些新技術(shù)應用到極致。
