運用 Silent Switcher 設計降低 EMI 并改善效率

在重視熱耗散和效率的場(chǎng)合中，人們會(huì )用開(kāi)關(guān)穩壓器替代線(xiàn)性穩壓器。開(kāi)關(guān)穩壓器通常是輸入電源總線(xiàn)線(xiàn)路上的首個(gè)有源組件，因此對于整個(gè)轉換器電路的 EMI 性能具有重大的影響。

相比于通孔元件，表面貼裝技術(shù)中的新式輸入濾波器組件擁有更好的性能。然而，這種改進(jìn)趕不上開(kāi)關(guān)穩壓器工作開(kāi)關(guān)頻率增加的步伐。由于開(kāi)關(guān)切換速度較快的原因，較高的效率、低的最小導通和關(guān)斷時(shí)間產(chǎn)生了較高的諧波含量。

在所有其他參數 (例如：開(kāi)關(guān)電容和轉換時(shí)間) 保持恒定的情況下，開(kāi)關(guān)頻率每增加一倍將使 EMI 性能下降 6dB。如果開(kāi)關(guān)頻率增加 10 倍，則寬帶 EMI 的作用就像一個(gè)輻射增加了 20dB 的一階高通濾波器。

懂行的 PCB 設計師將使熱回路很小，并采用盡可能靠近有源層的屏蔽 GND 層;不過(guò)，引出腳配置、封裝構造、熱設計要求以及在去耦組件中實(shí)現足夠能量存儲所需的封裝尺寸限定了熱回路的最小尺寸。

對布局而言更為棘手的是，在典型的平面型印刷電路板上，高于 30MHz 的走線(xiàn)間磁性耦合或變壓器型耦合將使得濾波器設計方面的所有努力大打折扣，因為諧波頻率越高，有害磁性耦合的作用就越明顯。

經(jīng)過(guò)檢驗而可靠的解決方案是為整個(gè)電路采用一個(gè)屏蔽盒。當然，這么做將增加成本和所需的電路板空間、使熱管理和測試更加困難、并帶來(lái)額外的裝配成本。另一種常用的方法是減緩開(kāi)關(guān)邊緣速率。這種做法的不利之處是會(huì )降低效率、增加最小導通 / 關(guān)斷時(shí)間和所需的死區時(shí)間、以及犧牲潛在的電流控制環(huán)路速度。

借助凌力爾特的新型 LT8614 Silent Switcher™ 穩壓器，既可以獲得與屏蔽盒相同的作用，又不必使用屏蔽盒，同時(shí)還能消除上述的缺陷。見(jiàn)圖 1。

圖 1：LTC8614 Silent Switcher 可最大限度地抑制 EMI / EMC，并在高達 3MHz 的頻率條件下提供高效率。

LT8614 具有 LT861x 系列中世界級的低 IQ，工作電流僅為 2.5µA。這是該器件在調節狀態(tài)和無(wú)負載條件下的總電源電流消耗。

LT8614 具有與該系列相同的超低壓差，其僅受限于內部頂端開(kāi)關(guān)。與其他替代型解決方案不同，LT8614 的 RDSON 并不受限于最大占空比和最小關(guān)斷時(shí)間。在壓差條件下，該器件將跳過(guò)其關(guān)斷周期并僅執行必需的最少斷開(kāi)周期，以使內部頂端開(kāi)關(guān)升壓級電壓得以保持，如圖 6 所示。

與此同時(shí)，最小工作輸入電壓的典型值為 2.9V (最大值為 3.4V)，而且該器件能在其處于壓差狀態(tài)時(shí)提供一個(gè) 3.3V 電壓軌。在高電流時(shí)，LT8614 因其總開(kāi)關(guān)電阻較低而擁有高于 LT8610 / LT8611 的效率。另外，它還可同步至一個(gè)運作范圍為 200kHz 至 3MHz 的外部頻率。

由于 AC 開(kāi)關(guān)損耗很低，因此其可工作于高開(kāi)關(guān)頻率而不使效率大幅下降。在那些對 EMI 敏感的應用中 (比如：汽車(chē)環(huán)境) 可獲得一種上佳的平衡，LT8614 的運行頻率既可低于 AM 頻段 (以實(shí)現更低的 EMI)，也可高于 AM 頻段。在一種采用 700kHz 工作開(kāi)關(guān)頻率的配置中，標準的 LT8614 演示板在 CISPR25 測量中未超過(guò)噪聲層。

圖 2 所示的測量結果是在 12VIN、3.3VOUT/2A 和 700kHz 固定開(kāi)關(guān)頻率下于一個(gè)吸波暗室中獲得的。

圖 2：藍色掃跡為噪聲層;紅色掃跡是 LT8614 演示板在一個(gè)吸波暗室中的 CISPR25 輻射測量值。

為了比較 LT8614 Silent Switcher 技術(shù)與當今最先進(jìn)的開(kāi)關(guān)穩壓器，我們對該器件和 LT8610 進(jìn)行了對比測量。測試在一個(gè)千兆赫橫電磁波室 (GTEM cell) 中進(jìn)行，在用于這兩款器件的標準演示板上采用了相同的負載、輸入電壓和相同的電感器。

可見(jiàn)，與 LT8610 已經(jīng)非常優(yōu)越的 EMI 性能相比，采用 LT8614 Silent Switcher 技術(shù)可實(shí)現高達 20dB 的 EMI 改善幅度，特別是在更難以控制的較高頻段中。這可實(shí)現更加簡(jiǎn)單和緊湊的設計，在此類(lèi)設計中，LT8614 開(kāi)關(guān)電源所需的濾波和間隔比整體設計中的其他敏感系統要少。

在時(shí)域中，LT8614 在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)邊緣上表現出非常優(yōu)良的工作特性，如圖 4 所示。

即使采用每格為 4ns 的標度，LT8614 Silent Switcher 穩壓器也顯現出非常低的振鈴 (見(jiàn)圖 3 中的 Ch2)。LT8610 雖然具有優(yōu)良的阻尼振鈴 (圖 3 中的 Ch2)，但是與 Ch2 中的 LT8614 相比，可以看到 LT8610 在熱回路中存儲了較高的能量。

圖 3：藍色掃跡是 LT8614，紫色掃跡為 LT8610;兩者均在 13.5VIN、3.3VOUT 和 2.2A 負載條件下。

圖 4：Ch1：LT8610，Ch2：LT8614 開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上升沿，兩者均在 8.4VIN、3.3VOUT 和 2.2A 負載條件下。

圖 5 示出了 13.2VIN 條件下的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)?？梢?jiàn)從 LT8614 的理想方波產(chǎn)生了極低的偏差 (示于 Ch2)。圖 3 至圖 5 中的所有時(shí)域測量都采用 500MHz Tektronix P6139A 探頭 (并將探針緊密地屏蔽連接至 PCB GND 平面) 完成，兩者均在標準演示板上。

圖 5：3 Ch1：LT8610，Ch2：LT8614，兩者均在 13.2V 輸入、3.3V/2.2A 輸出條件下。

除了其在汽車(chē)環(huán)境中的 42V 絕對最大輸入電壓額定值之外，壓差運行方式也是非常重要的。通常，關(guān)鍵的 3.3V 邏輯電源必需在整個(gè)冷車(chē)發(fā)動(dòng)期間得到支持。在該場(chǎng)合中，LT8614 Silent Switcher 穩壓器保持了 LT861x 系列近乎理想的運行方式。與替代器件采用較高的欠壓閉鎖電壓和最大占空比箝位不同，LT8610 / LT8611 / LT8614 器件可在低至 3.4V 的電壓下運作，并在必要時(shí)盡快地開(kāi)始跳過(guò)斷開(kāi)周期，如圖 6 所示。這產(chǎn)生了理想的壓差運行方式，如圖 7 所示。

圖 6：3 Ch1：LT8610，Ch2：LT8614 開(kāi)關(guān)節點(diǎn)壓差運行方式

圖 7：LT8614 壓差運行方式

即使在高開(kāi)關(guān)頻率下，LT8614 很低的最小導通時(shí)間 (30ns) 也能實(shí)現大的降壓比。因此，其通過(guò)對高達 42V 的輸入進(jìn)行單次降壓就能提供邏輯內核電壓。

總之，LT8614 Silent Switcher 穩壓器可使當今先進(jìn)的開(kāi)關(guān)穩壓器之 EMI 下降 20dB 以上，同時(shí)提高轉換效率，而且沒(méi)有缺點(diǎn)。在高于 30MHz 的頻率范圍中可獲得 10 倍的 EMI 改善幅度，且在電路板面積相同的情況下未犧牲最小導通和關(guān)斷時(shí)間或效率。上述目標的實(shí)現并未采用特殊的組件或屏蔽，因而標志著(zhù)開(kāi)關(guān)穩壓器設計領(lǐng)域的一項重大突破。迄今為止，利用單個(gè) IC 達到這種性能水平尚無(wú)先例。該器件正是那種可幫助終端系統設計師使其產(chǎn)品邁上新臺階的突破性集成電路。