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來源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 構建一款具有 10 V（典型值）或更低的電壓、大約 2 A 至 15 A 的適度電流水平的基本降壓型 DC/DC 穩壓器似乎并不難。設計者只需選擇合適的開關穩壓器 IC，并利用數據手冊或應用說明上的示例電路添加一些無源器件即可。但到這一步設計就完成了嗎？可以立即發布進行試運行，甚至投入生產嗎？可能還不行。 雖然穩壓器提供了所需的 DC 電源軌，但仍然存在幾個潛在的問題。首先，能效可能不符合項目的目標或監管要求，從而會增大熱沖擊，縮短電池壽命。其次，可能需要額外的元件來確保正常啟動、瞬態性能和低紋波，這反過來又會影響尺寸、上市時間和總材料清單 (BOM)。最后，也許是最具挑戰性的，設計可能不符合各種法規中關于電磁干擾 (EMI) 或射頻干擾 (RFI) 的日益嚴格的限制，因此需要重新設計或進一步增加部件和測試。 本文將介紹基本的 DC/DC 穩壓器設計與滿足或超過關于能效、低輻射和紋波噪聲以及整體集成度要求的卓越設計在設計期望值和性能之間的差距。然后，介紹 Analog Devices 的 Silent Switcher μModule 器件，并展示如何使用這些器件來解決多個 DC/DC 降壓穩壓器問題。 最初，看起來 IC 能簡化問題 降壓型 DC/DC 穩壓器廣泛用于提供 DC 電源軌。一個典型的系統可能有幾十個這樣的電源軌，用于提供不同的電源軌電壓或在同一電壓下的分離式電源軌。通常，這些降壓穩壓器采用典型值在 5 VDC 至 36 VDC 之間的較高電壓，并在幾個安培或較小的兩位數安培的電流下將該電壓降至一個單電壓值（圖 1）。 
圖 1：DC/DC 穩壓器（轉換器）的作用很簡單：取一個未經穩壓的 DC 源，可能來自電池或經過整流、濾波的 AC 線路，然后提供一個經過嚴格穩壓的 DC 電源軌作為輸出。（圖片來源：Electronic Clinic） 在構建基本的降壓型穩壓器時喜憂參半。好的方面是，構建能提供名義上性能“足夠好”的系統一般來說并不困難。有許多開關式集成電路可以完成大部分任務，其余的只需要一個場效應晶體管 (FET)（或根本不需要）和一些無源器件即可。這項任務會變得更加容易，因為各種穩壓器 IC 的數據表中幾乎都會給出一個典型的應用電路，包括原理圖、電路板布局以及一份列出了元器件供應商名稱和零件編號的 BOM。 在工程上的困境是，就一些不明顯的穩壓器性能參數而言，達到“良好”的性能水平可能是不夠的。雖然輸出 DC 電源軌可能提供足夠的電流，具有適當的線路/負載調節和瞬態響應，但這些因素只是電源軌故事的開始。 實際上，除了這些基本的性能標準外，穩壓器還需就其他因素進行評估，而其中一些是由外部需求驅動的。大多數穩壓器必須解決三大關鍵問題，但僅從那些接受非穩壓 DC 輸入并提供穩壓 DC 輸出的功能塊的簡單角度來看，這些問題未必顯而易見。具體問題是（圖 2）： · 發熱小：高能效和相關的發熱影響最小。 · 靜音：具有適合無故障系統性能的低紋波，以及滿足輻射噪聲標準（非聲學）的低 EMI。 · 全面：一種能最大限度地減少尺寸、風險、BOM、上市時間和其他“軟”問題的解決方案。
圖 2：DC/DC 穩壓器必須不僅能夠提供穩定的電源軌，還必須發熱小、高效、EMI“靜音”并且功能全面。（圖片來源：Math.stackexchange.com；由作者修改） 要解決這些問題就要面臨一系列挑戰并且將會是一種讓人沮喪的體驗。這符合“80/20 法則”，即用 80% 的努力去完成最后“20%”的任務。讓我們詳細了解一下這三個因素： 發熱小：每位設計師都想獲得高能效，但究竟有多高，需要付出多大代價？答案是常見的：這取決于項目及其各種權衡。在這三大原因中，更高的能效很重要： 1、換句話說，讓發熱更小的產品能提高可靠性，可在更高的溫度下運行，可能不需要強制風冷（風扇）或者在可行的情況下簡化設置有效的對流冷卻的。在高端領域，對于那些運行溫度特別高的部件，可能要求將其運行溫度保持在最高允許溫度內且在其安全工作區域內運行。 2、即使這些熱因素不是問題，高能效也意味著能延長電池供電型系統的運行時間或者減輕上游 AC-DC 轉換器的負擔。 3、現在有許多監管標準都規定了每一類終端產品的具體能效水平。雖然這些標準并未要求產品中單電源軌的能效，但設計者面臨的挑戰是確保整體的總能效符合要求。當每個發揮作用的電源軌的 DC/DC 穩壓器具有更高能效時，就能很容易的達到上述目的，因為這樣就會為與其他電源軌和其他損耗源的疊加提供了余地。 靜音：設計者關心的噪音分為兩大類。首先，DC/DC 穩壓器輸出端的噪聲和紋波必須足夠低，不得對系統性能產生不利影響。隨著數字電路中電源軌電壓下降到較低的值（個位數），這一點越來越受到關注，而且對精密模擬電路來說，即使紋波只有幾毫伏也會降低性能。 另一個主要關注點與 EMI 有關。存在兩種 EMI 放射：傳導式和輻射式。傳導性電磁放射取決于連接產品的印制線和導線。由于在設計中噪聲集中在具體的端子或連接器上，因此通常來講，在開發過程中通過良好的布局和濾波器設計，就可以相對較早地保證設計符合傳導放射要求。 然而，輻射式放射則更為復雜。電路板上每個載流導體都會輻射出一個電磁場：電路板上的每條印制線都是一根天線，每一個銅平面都像一面鏡子。除純正弦波或 DC 電壓外的任何東西都會產生一個寬信號頻譜。 困難在于，即使認真設計，設計者永遠都不會在系統進行測試之前真正地了解輻射放射會有多糟糕，而在設計基本完成之前，是無法正式地進行輻射放射測試的。濾波器用來通過各種技術來衰減特定頻率下或者一系列頻率范圍內的電平，進而減少 EMI。 對于通過空間輻射的一些能量，則是通過將金屬板作為磁屏蔽體來實現衰減的。采用鐵氧體磁珠及其他濾波器來控制 PC 板印制線上的低頻 EMI（傳導式）。這是一種有效的屏蔽方式，但同時產生了一系列新問題。必須精心設計且具有良好的電磁完整性（但困難往往會出乎意料）。這樣做會增加成本和所需的板面積，加大熱管理和測試的困難程度，并導致額外的裝配成本。 另一種技術是減緩穩壓器的開關邊緣。然而，這樣做會降低能效、延長最小通斷時間以及所需的空載時間，而且會嚴重影響電流控制回路的速度。 還有一種方法是調整穩壓器的設計，通過仔細選擇關鍵的設計參數來減少 EMI 輻射。這些穩壓器的平衡工作涉及評估諸如開關頻率、所需板面積、能效及由此產生的 EMI 等參數的相互作用。 例如，較低開關頻率通常會降低開關損耗、電磁干擾并提高能效，但需要較大的元件并相應地增大所需板面積。通過減小最短導通和關斷時間可滿足對更高能效的需求，但由于開關轉換速度較快，會導致諧波含量較高。一般來說，假設如開關容量、轉換時間等所有其他參數保持不變，則開關頻率每增加一倍，EMI 就會惡化 6 dB。寬帶 EMI 的表現就像一階高通濾波器，當開關頻率增加 10 倍時，發射量會增加 20 dB。 為了克服這個問題，經驗豐富的電路板設計者會將穩壓器電流回路（“熱回路”）設計得很小，并使用盡可能靠近有源層的屏蔽接地層。然而，引腳布局、封裝結構、熱設計要求以及在去耦元件中充分儲能所需的封裝尺寸決定了最小熱環尺寸。 為了使布局問題更具挑戰性，典型的平面 PC 板在 30 MHz 以上的印制線之間存在磁性或變壓器式耦合。這種耦合將削弱濾波能力，因為諧波頻率越高，就會形成越有效的有害磁耦合。 有哪些相關標準？ 在 EMI 領域沒有單一的指導標準，因為這主要是由應用和相關的管理授權決定的。其中被引用最多的標準是 EN55022、CISPR 22 和 CISPR 25。EN 55022 是 CISPR 22 的改良衍生版本，適用于 IT 技術設備。該標準由歐洲電工技術標準化委員會 (CENELEC) 制定，針對電工工程領域的標準化工作。 這些標準很復雜，對測試程序、探頭、儀器儀表、數據分析等做了具體規定。在該標準規定的許多限值中，設計者最感興趣的往往是針對 B 類輻射發射的限值。 全面：即使對設計情況相當了解，做到正確選擇和采用所需的輔助組件也并非易事。元器件的放置和規格、PC 板的接地和印制線以及其他因素的細微差別都會對性能產生不利影響。 建模和仿真是必要的，也是有幫助的，但要特征化與這些器件相關的寄生效應將非常困難，特別是當器件的值發生變化時。此外，供應商變化（或首選供應商未宣布的變化）可能會引起二級或三級參數值發生微妙變化（如電感器的直流電阻 (DCR)），這可能會導致意外的嚴重后果。 而且，即使對無源器件進行輕微的重新定位或僅僅增加“一個”，也會改變 EMI 情況，導致發射超過允許限值。 SilentSwitcher μModules 解決了這些問題 預測和管理風險是設計者工作的一個正常部分。減少這些風險的數量、強度是標準的終端產品戰略。具體的解決方案是采用功能全面的 DC/DC 穩壓器，即通過良好的設計和實施，使其實現發熱小、靜音和全面。使用已知設備可以減少不確定性，同時解決尺寸、成本、EMI、BOM 和裝配風險等問題。這樣做也會加快上市時間，并減少是否滿足監管合規要求導致的煩惱。 通過查看此類穩壓器的完整系列，如 Analog Devices 的 Silent Switcher μModules，設計者可以選擇與所需額定電壓、電流相匹配的 DC/DC 穩壓器，同時確保滿足 EMI 要求，已知曉尺寸和成本并且不會出現意外。 這些穩壓器所包含的內容已遠超創新的原理和拓撲結構。這些穩壓器采用的技術包括： 技術 #1：將穩壓器的開關作動作用作射頻振蕩器/源，并與作為天線的鍵合線結合。這就把該組件變成了一個射頻發射器，但不需要的能量可能會超過允許的限度（圖 3、4 和 5）。
圖 3：從 IC 芯片到封裝的鍵合線具有微型天線的功能，會輻射出不必要的射頻能量。（圖片來源：Analog Devices）
圖 4：Silent Switcher 組件首先用倒裝芯片技術取代了鍵合線，從而消除了能夠輻射能量的導線。（圖片來源：Analog Devices）
圖 5：倒裝芯片方法有效地消除了天線，并將輻射能量降到最低。（圖片來源：Analog Devices） 技術 #2：使用對稱輸入電容，通過構建平衡的、方向相反的電流來抑制 EMI（圖 6）。
圖 6：還添加了兩個鏡像輸入電容來抑制 EMI。（圖片來源：Analog Devices） 技術 #3：最后，使用方向相反的電流環來消除磁場（圖 7）。
圖 7：具有方向電流環的內部布局也能消除不必要的磁場。（圖片來源：Analog Devices） 這些 Silent Switcher μModule 代表了降壓穩壓器的設計和封裝的演變，從采用輔助元件的 IC 到采用集成電容的 LQFN IC，再到具有必要電容和電感的 μModule（圖 8）。
圖 8：通過在封裝中加入電容器和電感器，Silent Switcher μModules 是以 IC 為中心的開關穩壓器發展的第三個階段。（圖片來源：Analog Devices） 產品廣泛，可滿各種需求并解決各種權衡 Silent Switcher μModule 由許多獨立單元組成，其輸入電壓范圍、輸出電壓軌和輸出電流的額定值各不相同。例如，LTM8003 是一款 3.4 V 至 40 V 輸入、3.3 V 輸出、連續 3.5 A（6 A 峰值）的 μModule，符合 CISPR 25 的第 5 類限值規定，但尺寸僅為 9 × 6.25 mm，高 3.32 mm（圖 9）。
圖 9：LTM8003 Silent Switcher 是一款微型自足式封裝器件，很容易滿足 CISPR 25 第 5 類的從 DC 到 1000 MHz 的峰值輻射能量限值規定。（圖片來源：Analog Devices） 該器件的引腳布局符合故障模式影響分析 (FMEA) 的要求 (LTM8003-3.3)，這意味著在相鄰引腳短路或引腳處于浮動狀態時，輸出保持穩壓電壓或低于該電壓。典型靜態電流僅為 25 μA，H 級版本的額定工作溫度為 150℃。 DC2416A 演示板可供設計人員練習穩壓器操作并評估其應用性能（圖 10）。
圖 10：DC2416A 演示板簡化了與 LTM8003 Silent Switcher 設備的連接和評估。（圖片來源：Analog Devices） LTM4657（3.1 V 至 20 V 輸入；0.5 V 至 5.5 V @ 8 A 輸出）和 LTM4626（3.1 至 20 V 輸入；0.6 至 5.5 V @ 12 A 輸出）是兩款名義上相似的 Silent Switcher μModule 家族成員，顯示了這類器件的權衡性質。LTM4657 使用比 LTM4626 更高的電感值，使其能夠在較低頻率下工作，從而減少開關損耗。 LTM4657 是針對高開關損耗和低傳導損耗的較好解決方案，例如在負載電流小和/或輸入電壓高的應用中。LTM4626 和 LTM4657 在相同開關頻率下工作，具有相同的 12 V 輸入和 5 V 輸出，可以看出 LTM4657 的開關損耗更低（圖 11）。此外，值更大的電感器減少了輸出電壓紋波。然而，LTM4626 能比 LTM4657 提供更多負載電流。
圖 11：LTM4626 和 LTM4657 在 1.25MHz 頻率下的能效對比，在 DC2989A 演示板上的配置相同，顯示出有適度但明顯的差異。（圖片來源：Analog Devices） 用戶可以使用 DC2989A 演示板評估 LTM4657 的性能（圖 12），而對于 LTM4626，則可以采用 DC2665A-A 板進行評估（圖 13）。
圖 12：DC2989A 演示板用于加快對 LTM4657 Silent Switcher 的評估。（圖片來源：Analog Devices）
圖 13：對于 LTM4626 Silent Switcher 模塊，可以采用 DC2665A-A 演示板，以方便練習和評估。（圖片來源：Analog Devices） Silent Switcher μModules 并不限于單輸出模塊。例如，LTM4628 是一款全面的雙路 8 A 輸出開關式 DC/DC 穩壓器，可以很容易地配置為單路 2 相 16 A 輸出（圖 1 4）。該模塊提供 15 mm × 15 mm × 4.32 mm LGA 和 15 mm × 15 mm × 4.92 mm BGA 封裝選擇。該器件包括開關控制器、功率 FET、電感器和所有輔助元件。
圖 14：LTM4628 可以配置為雙輸出、每通道 8 A 的開關式 DC/DC 穩壓器，也可以配置為單輸出、16 A 輸出。（圖片來源：Analog Devices） 該模塊在 4.5 V 至 26.5 V 輸入電壓范圍內工作，支持通過外部電阻器設置的 0.6 V 至 5.5 V 輸出。用戶可以采用 DC1663A 演示板（圖 15）來研究其作為一個單輸出或雙輸出器件的性能。
圖 15：通過采用其 DC1663A 演示板，可加速對單/雙輸出 LTM4628 器件的評估。（圖片來源：Analog Devices） 結語 利用現有 IC 設計一個有效的 DC/DC 穩壓器是非常容易的。然而，設計一款既具有出色能效、功能齊全，又能滿足各種通常混亂且嚴格的監管機構要求的穩壓器卻并非易事。Analog Devices 的 Silent Switcher μModule 簡化了設計過程。這類器件通過滿足發熱小和高效運行目標，具有低于允許限值的 EMI 發射和現成的全面性來消除風險。 |
