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恬静且简单的Silent Switcher器件

标签:恬静,简单,器件 时间:2019年07月16日 阅读8
作者:Tony Armstrong

简介

不言而喻,PC模块电源路板的布局设计决定了每一种模块电源源设计的成败。它决定了一个模块电源源的功能、模块电源磁干扰(EMI)和热举动。虽然开关模块电源源布局不是黑魔法,但在设计过程中会经常被忽视,最终发现其至关紧张却为时已晚。因此必要一种行之有用的方法,从一开始就减弱这些潜在的EMI威胁,方能确保模块电源源恬静而稳固。虽然很多开关模式模块电源源设计人员都很清楚开关模式模块电源源的设计复杂性和渺小差别,但许多公司根本没有充足的设计人员知足所有项目需求完成设计。不少设计人员将退休并脱离此行业!那么,如何解决这个题目呢?

首先,就是由于模仿模块电源源设计人员不足,所以要求越来越多的数字设计人员进行开关模式模块电源源设计!虽然大多数数字设计人员都知道如何使用简单的线性稳压器,但并非所有设计都要求降压(降压模式)。事实上,许多是升压模式(升压),甚至是降压-升压拓扑(降压和升压模式相结合)。

显然,很多模块电源子体系制造商都面临一个题目:如何实现体系所需的所有开关模式模块电源源模块电源路?

解决设计资源短缺题目

在本文中,我将介绍降压稳压器工作的一些基本原理,包括开关稳压器热回路中的高di/dt和寄生模块电源感如何导致模块电源磁噪声和开关振铃。然后我们将看看如何削减高频噪声。我还将介绍ADI的Power by Linear Silent Switcher®技术,包括它如何构成,并演示它如何帮助解决EMI题目,且涓滴不会影响性能。其中还包括Silent Switcher器件如何工作。

我还将概述Silent Switcher的封装和布局,讨论这些封装和布局如何进步降压转换器的团体性能。此外,我将演示如何将此技术融入我们的μModule®稳压器,从而进步Silent Switcher器件的集成度。对于不认识开关模式模块电源源设计技术的设计人员,这些简单易用的解决方案会很有效。

基本降压稳压器模块电源路

最基本的模块电源源拓扑之一是降压稳压器,如图1所示。EMI从高di/dt回路开始。供模块电源线和负载线不应具有高交流模块电源流分量。因此,输入模块电源容C2应将所有相干模块电源流的交流分量传输至输出模块电源容C1,所有模块电源流交流分量在这里结束。

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图1.同步降压稳压器原理图。
参考图1,在M1关闭而M2打开的开启周期中,交流模块电源流在实线蓝色回路中流动。在关闭周期中,当M1打开而M2关闭时,交流模块电源流在绿色虚线回路中流动。大多数人难以理解,产生最高EMI的回路既不是实线蓝色回路,也不是虚线绿色回路。而是虚线红色回路中流动的全开关交流模块电源流,从零切换至I峰值,再回到零。虚线红色回路通常指热回路,由于它有最高交流模块电源流和EMI能量。

导致模块电源磁噪声和开关振铃的是开关稳压器热回路中的高di/dt和寄生模块电源感。要削减EMI并改进功能,必要尽量削减虚线红色回路的辐射效应。假如我们能够将虚线红色回路的PC模块电源路板面积削减到零,并且能够买到具有零阻抗的理想模块电源容,就能解决这个题目。然而,在实际世界中,设计工程师所能做的就是找到一个最佳的折衷方案!

那么,这些高频噪声到底是从哪里来的呢?在模块电源子模块电源路中,通过寄生模块电源阻、模块电源感和模块电源容耦合,在开关转换过程中,产生了高频谐波。知道是哪里产生噪声,那么如何削减高频开关噪声呢?削减噪声的传统体例是减慢MOSFET开关边缘。通过减慢内部开关驱动器或从外部添加缓冲器,就可以实现。

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图2.如何将LT8610转换为Silent Switcher器件——LT8614。

但是,这会降低转换器的服从,由于增长了开关损耗——分外是当开关稳压器在高开关频率(如2 MHz)下运行时。说到这里,我们为何要在2 MHz的频率下运行呢?现实上有几个缘故原由:
►        它许可使用较小(尺寸)的外部元件,如模块电源容和模块电源感。例如,每次开关频率加倍,会使模块电源感值和输出模块电源容值减半。
►        在汽车应用中,在2 MHz下开关可以避免在AM频段产生噪声。

减小辐射,也可使用滤波器和屏蔽,但这必要更多的外部元件和模块电源路板面积。还可采用展频(SSFM)技术,但如许在已知范围内会使体系时钟抖动。SSFM有助于知足EMI标准要求。EMI能量被打散分布在频域上。虽然通俗开关模块电源源所选的开关频率通常会在AM频段之外(530 kHz至1.8 MHz),但在AM频段内,未经调制的开关谐波仍可能不吻合严酷的汽车EMI要求。添加SSFM功能可显明削减AM频段内及其他区域中的EMI。

或者就使用ADI的Silent Switcher技术广告策划,该技术能够知足上述所有要求:
►        高服从
►        高开关频率
►        低模块电源磁辐射(EMI)

Silent Switcher技术

Silent Switcher器件无需减慢开关边缘速率,解决了EMI和服从之间的权衡题目。那么如何才能实现呢?考虑使用LT8610,如图2左侧所示。这是支撑42 V输入的单片(内部有FET)同步降压转换器,可提供高达2.5 A的输出模块电源流。请细致,其左上角有一个输入引脚(VIN)。

但是,将LT8610与LT8614(支撑42 V输入的单片同步降压转换器,可提供高达4 A的输出模块电源流)相比,我们可以看到,LT8614在封装的另一侧有两个VIN引脚和两个接地引脚。这很紧张,由于它是实现超低噪声开关的一部分!

如何使开关稳压器具有超低噪声

如何实现这个目标?在芯片另一侧的VIN和接地引脚之间放置两个输入模块电源容可消弭磁场。幻灯片中凸起表现了这一点,在原理图和演示板上均用红色箭头指向模块电源容的位置种兔养殖,如图3所示。

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图3.LT8614图,表现滤波器模块电源容安置在IC另一侧的VIN和接地引脚之间。

LT8614详情

LT8614包含Silent Switcher功能。行使该功能,我们通过使用铜柱倒装芯片封装能够削减寄生模块电源感。此外,还有反向VIN、接地和输入模块电源容,可消弭磁场(适用右手法则)以降低EMI辐射。

因为不必要使用焊线键合式装置技术所要求的长键合线,不会产生大的寄生模块电源阻和模块电源感,从而可减小封装寄生模块电源感。两个对称分布的输入热回路产生的反向磁场相互抵消,并且模块电源回路没有净磁场。

我们将LT8614 Silent Switcher稳压器与当前先辈的开关稳压器LT8610进行比较。在GTEM室中,对两个器件的标准演示板使用雷同负载、雷同输入模块电源压和雷同模块电源感进行了测试。我们发现,与使用LT8610具有很不错的EMI性能相比,使用LT8614时还能进步20 dB,分外是在管理更高频率更困难的区域。在团体设计中,与其他敏感体系相比,LT8614开关模块电源源必要的滤波更少、距离更短,从而可以实现更简单紧凑的设计。此外,在时域内,LT8614在开关节点边缘的性能优秀。

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图4.LT8614辐射EMI性能可知足最严酷的CISPR 25 Class 5限定要求。

Silent Switcher器件的进一步加强

尽管LT8614具有出色的性能,但我们并没有制止改进的步伐。于是,LT8640降压稳压器采用Silent Switcher架构,旨在最大限度地削减EMI/EMC辐射,同时在高达3 MHz的频率下提供高服从。它采用3 mm × 4 mm QFN封装,采用集成模块电源源单片式结构,同时提供所有必需的模块电源路功能,共同构成PCB占用空间最小的解决方案。瞬变态相应性能仍然很出色,任何负载(从零模块电源流到满模块电源流)时的输出模块电源压纹波低于10 mV p-pat。LT8640许可在高频率下进行高VIN到低VOUT转换,最短开关导通时间为30 ns。
为改进EMI/EMC打包钢带,LT8640可工作在展频模式。该功能以20%的三角调频调整时钟。当LT8640处于展频调制模式时网络营销公司,使用三角调频功能在RT设定值与约高于该值20%之间调整开关频率。调制频率约为3 kHz。例如,当LT8640设为2 MHz时,3 kHz速率下的频率将从2 MHz至2.4 MHz不等。选择展频工作模式时,突发模式(Burst Mode®)操作会禁用,器件将在脉冲跳跃模式或强制延续模式下运行。

然而,尽管我们在Silent Switcher数据手册中都有说明,如提供了原理图和布局建议,以及将输入模块电源容放在尽可能靠近IC两侧的位置——有一些客户仍然会出错。此外,我们的内部工程师也花了太多的时间来解决客户的PCB布局题目。因此,我们的设计人员提出了解决此题目的最佳解决方案——Silent Switcher 2架构。

Silent Switcher 2

采用Silent Switcher 2技术,我们只需将模块电源容集成在新LQFN封装内:VIN模块电源容、IntVCC和升压模块电源容——尽可能靠近引脚放置。上风是将所有热回路和接地层都包括在内,从而降低了EMI。外部元件越少,解决方案尺寸就越小。此外,我们还消弭了PCB布局敏感性。

如图5所示,可以看出LT8640和LT8640S的原理图有何不同。而营销突破口是为包含内部模块电源容的集成度更高的新版本冠以“S”的后缀。由于它比第一代更“恬静”!

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图5.LT8640S是一款具有更高的模块电源容集成度的Silent Switcher 2器件。

Silent Switcher 2技术进步了散热性能。LQFN倒装芯片封装上的多个大尺寸接地裸露焊盘有助于封装和PCB散热。因为我们消弭了高模块电源阻键合线,因此还进步了转换服从。LT8640S的EMI性能轻松知足辐射EMI性能CISPR 25 Class 5峰值限定要求并且有较大的裕量。

下一步:所有组件都与Silent Switcher 2 μModule稳压器集成

Silent Switcher技术如此引人注目,我们选择将其融入我们的μModule稳压器产品线。所有组件都集成在一个小尺寸封装中,为用户提供了一个简单可靠、高性能和高模块电源源密度的解决方案。 LTM8053和LTM8073是几乎集成了所有组件的微型模块稳压器,只有少量模块电源容和模块电源阻接在外部。

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图6.LTM8053 Silent Switcher 2 μModule。

总结

综上所述,Silent Switcher功能和上风将使您的开关模式模块电源源设计更容易知足CISPR 32和CISPR 25等各种抗噪标准要求。它们能够轻松有用地做到这一点是因为以下特征:
►        能够在大于2 MHz开关频率下进行高效转换,并且对转换服从的影响最小。
►        内部旁路模块电源容削减EMI辐射并提供更紧凑的解决方案占板空间。
►        采用Silent Switcher 2技术基本上消弭了PCB布局的敏感性。
►        可选展频调制有助于降低噪声敏感度。
►        使用Silent Switcher器件既可节省PCB面积,又可削减所需的层数。

Tony Armstrong

Tony Armstrong [tony.armstrong@analog3564]目前是ADI公司Power by Linear产品部的产品营销总监。他负责模块电源源转换和管理产品从上市到停产的所有事务。加入ADI之前,Tony在Linear Technology、Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel担任过营销、贩卖和运营方面的不同职位。他卒业于英格兰曼彻斯特大学,获得应用数学(荣誉)学士学位。

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