作者：Bill Schweber

　　具有高電流要求的數字IC，如FPGA和ASIC，越來越成為汽車、醫療、電信、工業、游戲和消費類音頻/視頻等嵌入式系統的中心。其中許多應用都是關鍵任務，如汽車駕駛輔助系統(ADAS)，以及高可靠性，如數據中心。

　　除了電流要求外，這些低壓器件的電源軌也有嚴格的容差規格。以高效、精度、快速瞬態性能、穩定性和低噪聲提供這種功率對于系統性能和完整性至關重要。

　　傳統的開關穩壓器控制器和電源子系統存在潛在的噪聲問題，包括輸出軌以及輻射電磁干擾(EMI)和射頻干擾(RFI)、瞬態響應不足和布局限制。為了最大限度地降低噪聲，一些應用使用小型、安靜的低壓差(LDO)穩壓器，與早期的LDO相比，這些穩壓器的效率更高。然而，即使是這些LDO通常也無法滿足系統效率要求，從而導致散熱問題。

　　LDO的有效替代方案是開關穩壓器，但由于其時鐘和開關功能，這些器件固有地具有更高的噪聲。如果設計人員要充分利用這些開關器件，就需要降低這種噪聲。

　　幸運的是，有一些新的方法可以平衡噪聲與效率。本文著眼于電源轉換設計的最新創新，這些創新具有高效率和最小的空間要求，以及大大降低的開關穩壓器噪聲。它探討了創新型開關穩壓器如何滿足個位數電壓、低于 10 安培 (A) 范圍內的負載的多個目標，并介紹了微型靜音開關 IC LTC33xx 家庭來自 ADI公司 作為例子。

　　電流/電壓要求

　　當晶體管和IC在20下半年發明和推進時千 世紀，它們的眾多優點之一是，與它們所取代的真空管相比，它們的每功能功率要求非常低——很容易達到 100 倍或更多。然而，這一進步很快導致每個器件和電路板的功能密度更高，以至于IC現在每個電源軌需要數十安培，并且通常在多個電源軌上。

　　需要這些高電流的IC包括現場可編程門陣列(FPGA)和專用IC(ASIC)，這些電流最終必須以熱量的形式耗散大量相關功率。兩者都廣泛用于整個電子行業的嵌入式設備，包括汽車、醫療、工業、通信、游戲和消費類音頻/視頻設備。

　　FPGA 或 ASIC 所需的電流可以通過線路供電設備的 AC/DC 轉換器或電池供電設備的 DC/DC 轉換器提供。無論哪種情況，都需要一個后續的DC/DC降壓(降壓)穩壓器，以在所需的電流水平下為負載提供和管理個位數的電源軌電壓。

　　提供必要電源的一種方法是使用單個 DC/DC 降壓穩壓器來支持所有電路板設備，并將其放置在印刷電路板的側面或角落，以幫助管理散熱問題并簡化 DC/DC 系統級架構。

　　但是，這種聽起來簡單的解決方案有其問題：

　　首先，由于距離和高電流水平(ΔV壓降=負載電流I×走線電阻(R))，穩壓器和負載之間不可避免地存在IR壓降。解決方案是增加印刷電路板走線寬度或厚度或使用立式母線，但這些使用寶貴的電路板空間并增加物料清單 (BOM)。

　　克服IR壓降的一種技術是使用負載電壓的遙感，但這僅適用于單點非分散負載。它還帶來了潛在的振蕩新問題，因為較長的電源軌和檢測引線的電感會影響穩壓器和電源軌的瞬態性能。

　　最后，也是通常最難管理的問題，較長的電源軌也會受到更多的EMI/RFI噪聲拾取的影響，或者可以有效地沿其長度輻射噪聲，從而充當天線。該解決方案通常需要額外的旁路電容、直插式鐵氧體磁珠和其他措施。根據其幅度和頻率，這種噪聲會對負載的可靠運行產生不利影響，并使滿足噪聲排放的各種法規要求變得具有挑戰性。

　　噪聲與效率難題

　　需要注意的是，DC/DC穩壓器的“噪聲與效率”難題與工程設計中的通常權衡不同。這種情況通常是關于評估權衡并找到平衡有利和不利屬性的“最佳點”。

　　這種情況有何不同?大多數權衡方案允許設計人員故意接受較少的某個所需參數值，以換取更多的另一個參數值，沿著一系列權衡進行(圖 1，上半部分)。

　　圖 1：大多數設計情況允許工程師評估，然后沿著相當連續的路徑(上)進行各種性能權衡，但對于開關穩壓器與 LDO 的噪聲/效率，設計最終位于一側或另一側，幾乎沒有“中間地帶”(下)。(圖片來源：Bill Schweber)

　　例如，設計人員可以選擇一個吸收更多電流(壞)的運算放大器(op-amp)，以便提供比另一個運算放大器更高的壓擺率(良好);在應用程序中進行權衡是可以接受或必要的。

　　然而，對于開關穩壓器和LDO，它們的噪聲和效率屬性在很大程度上“融入”了它們的結構中。例如，設計人員不能說他們會接受噪聲增加20%的LDO，以換取效率提高10%——這種權衡并不存在。相反，屬性權衡范圍存在差距(圖 1，下半部分)。

　　靜音開關穩壓器解決權衡難題

　　另一種通常更好的解決方案是使用盡可能靠近其負載 IC 的單個 DC/DC 穩壓器。這最大限度地減少了 IR 壓降、印刷電路板占用空間以及軌噪聲拾取和輻射。然而，要使這種方法可行，必須有小型、高效、低噪聲的穩壓器，這些穩壓器可以放置在負載旁邊，并且仍然滿足其所有電流要求。

　　這就是許多靜音開關穩壓器解決問題的地方。這些穩壓器不僅在幾安培至 10 A 的電流水平下提供個位數電壓輸出，而且噪聲極低，這是通過采用多種設計創新實現的。

　　這些穩壓器通過靜音開關1(第一代)和靜音開關2(第二代)器件改變了LDO與開關穩壓器差距的傳統思維。這些設備的設計者確定了各種噪聲源，并設計了衰減每個噪聲源的方法。

　　請注意，靜音開關穩壓器不使用眾所周知的合法“擴頻”技術，即向時鐘信號添加偽隨機噪聲。這拓寬了噪聲頻譜，同時降低了其在時鐘頻率下的幅度和諧波。雖然使用擴頻時鐘有助于滿足監管限制，但它不會降低總噪聲能量，實際上可能會在頻譜中影響電路性能的部分產生一些噪聲。

　　靜音開關 1 器件的優點包括低 EMI、高效率和高開關頻率，可將大部分剩余噪聲從頻譜部分移開，因為頻譜會干擾系統運行或存在監管問題。靜音切換器 2 的優勢包括靜音切換器 1 技術的所有功能以及集成精密電容器、更小的解決方案尺寸以及消除對印刷電路板布局的敏感性。

　　由于其小巧的外形尺寸(僅幾毫米(平方毫米)和效率，這些開關穩壓器可以非常靠近負載FPGA或ASIC，從而最大限度地提高性能并消除數據手冊性能規格與使用現實之間的不確定性。它們改變了必須在接受更多噪聲或更低效率之間做出選擇的“二元”困境，使設計人員在噪聲和效率方面具有這兩種屬性的最佳優勢。

　　這些靜音切換器的優勢是如何實現的?它是通過采取多方面的方法完成的：

　　開關模式電源中噪聲的主要原因是開關電流，而不是穩態電流。在傳統開關穩壓器的拓撲結構中，存在一條稱為熱回路的電流路徑。該熱回路不是一個獨立的電流環路，而只是一個由兩個實際電流環路的組件組成的虛擬電流環路(圖 2)。

　　圖 2：通常的開關穩壓器拓撲具有稱為熱回路的虛擬電流環路;它由兩個實際電流回路的組件組成，并具有開關電流。(圖片來源：ADI公司)

　　ADI公司的靜音開關2技術通過在IC封裝中集成輸入電容，使關鍵熱回路盡可能小。此外，通過將熱回路分成兩個對稱的形狀，會產生兩個極性相反的磁場，并且輻射噪聲在很大程度上抵消了自身。

　　第二代架構支持快速開關邊沿，可在高開關頻率下實現高效率，同時實現良好的EMI性能。內部陶瓷電容器在直流輸入電壓(V在) 保持所有快速交流電流環路較小，從而提高 EMI 性能。

　　靜音開關電源架構采用專有設計和封裝技術，可在極高頻率下最大限度地提高效率，并實現超低 EMI 性能，通過使用高度緊湊和穩健的設計輕松通過 CISPR 25 5 類峰值 EMI 限制。

　　使用有源電壓定位(AVP)是一種輸出電壓取決于負載電流的技術。輕負載時，輸出電壓被調節到標稱值以上，而在滿載時，輸出電壓被調節到標稱值以下。調整直流負載調整率以改善瞬態性能并降低輸出電容要求。

　　靜音切換器的眾多家族

　　靜音開關穩壓器有多種系列和型號可供選擇，每個系列具有不同的電壓/電流額定值。一些額外的考慮因素因型號而異，例如固定輸出與可調輸出。LTC33xx 系列的各種成員包括：

　　LTC3307： 5 V、3 A 同步降壓靜音切換器，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝

　　LTC3308A： 5 V、4 A 同步降壓靜音切換器，采用 2 mm × mm LQFN 封裝

　　LTC3309A： 5 V、6 A 同步降壓靜音切換器，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝

　　LTC3310： 5 V、10 A 同步降壓靜音切換器 2 英寸 3 mm × 3 mm LQFN 封裝

　　更詳細地觀察LTC3310，這是一款非常小、低噪聲、單片式、降壓型DC/DC轉換器，能夠從2.25至5.5V輸入電源提供高達10 A的輸出電流;五外 范圍為 0.5 伏至 V在.開關頻率范圍為 500 千赫茲 (kHz) 至高達 5 兆赫茲 (MHz)。它只需要幾個外部無源元件，在大部分輸出負載范圍內的效率約為 90%(圖 3)。

　　圖 3：LTC3310 降壓型 DC/DC 穩壓器需要外部有源組件，并在其大部分負載范圍內提供了高效率。(圖片來源：ADI公司)

　　它有四個基本版本。這些器件在高達 5 MHz 的開關頻率下提供低 EMI 和高效率，并且 LTC3310 系列的某些版本符合 AEC-Q100 汽車級認證。請注意，第一代 (SS1) 器件 — LTC3310 — 和第二代 (SS2) 器件 —LTC3310S 和 LTC3310S-1—可作為可調輸出和固定輸出設備提供(表 1)：

　　表 1： LTC3310 提供四種基本版本，代表第一代和第二代設計，以及固定和可調輸出。(圖片來源：ADI公司)

　　對于可調版本，輸出電壓通過輸出和反饋 (FB) 引腳之間的電阻分壓器進行硬編程，使用簡單的公式來確定正確的電阻值(圖 5)。

　　圖 5：建立可調 LTC3310 器件的輸出電壓只需要一個基于簡單公式的基本電阻分壓器網絡。(圖片來源：ADI公司)

　　噪音水平通常在幾十微伏。LTC3310 器件低噪聲性能的兩個關鍵指標是按照相關的 CISPR25 5 類峰值限值進行的噪聲測試。其中包括傳導噪聲(圖6)以及水平和垂直平面的輻射噪聲(圖7)。

　　圖 6：基于 LTC3310S 的合理排列的穩壓器滿足嚴格的 CISPR25 傳導 EMI 輻射 (具有 5 類峰值)限值。(圖片來源：ADI公司)

　　圖 7：對于輻射發射測試，LTC3310S 同時滿足 CISPR25 規定的水平面(左)和垂直(右)平面 EMI 要求。(圖片來源：ADI公司)

　　LTC3310 系列的另一個顯著特點是器件可輕松并聯用于多相較高電流操作，這是許多其他開關穩壓器不支持或僅難以支持的特性。最簡單的并聯是兩相操作，產生高達 20 A 的電流(圖 8)。該方法可以很容易地擴展到三相、四相或更多相，以及相應的更高電流。

　　圖 8：利用幾個額外的組件，可以組合兩個或多個 LTC3310 器件以實現多相更高電流操作;顯示的是兩相/20 A 配置。(圖片來源：ADI公司)

　　評估板縮短設計周期

　　LTC3310 器件等穩壓器在其應用中是直接的，因為它們沒有初始化寄存器、軟件控制功能或其他設置復雜性。盡管如此，在提交最終布局或 BOM 細節之前，能夠評估其靜態和動態性能并優化無源元件值在技術上是有意義的。LTC3310 評估板的可用性使此過程變得更加容易。ADI公司提供一系列與不同LTC3310版本和配置相匹配的此類電路板：

　　這 DC3042A 支持可調輸出 LTC3310 器件(圖 9)。

　　圖 9：DC3042A 評估板專為具有用戶可設置輸出電壓的 LTC3310 而設計。(圖片來源：ADI公司)

　　除了指導用戶進行基本設置和操作外，文檔還包括原理圖、電路板布局和物料清單 (BOM)。它還調用了各種測試點和連接，以及用于測量輸出紋波和階躍響應的探測布置(圖 10)。

　　圖 10：DC3042A 用戶演示手冊清楚地列出了測試點和連接(頂部)，以及用于測量輸出紋波和階躍響應的探測設置和配置。(圖片來源：ADI公司)

　　對于具有固定輸出電壓的 LTC3310S-1，具有 DC3021A 評估板(圖 11)。

　　圖 11：對于輸出電壓不向用戶可調的 LTC3310S-1，DC3021A 評估板是合適的選擇。(圖片來源：ADI公司)

　　最后，對于稍微復雜的多相并聯安排，有 DC2874A-C (圖12)。該評估板的LTC3310S用作多相2.0 MHz、3.3至1.2V降壓穩壓器。DC2874A 具有三種構建選項，可提供兩相/20 A、三相/30 A 或四相/40 A 輸出解決方案。

　　圖 12：LTC3310S 的 DC2874A-C 評估板具有三種構建選項：兩相/20 A、三相/30 A 或四相/40 A 輸出。(圖片來源：ADI公司)

　　通過使用 LTC3310S 并在適當的評估板及其相應的用戶手冊上投入一些時間，設計人員可以最大限度地減少花在 DC/DC 穩壓器性能上的時間。

　　結論

　　傳統上，工程師必須在兩種相互沖突的DC/DC穩壓器拓撲之間進行選擇，這些拓撲具有明顯相反的屬性。LDO 提供非常低噪聲的直流輸出，但效率低到中等，使其成為超出約 1 A 輸出的熱挑戰。相比之下，開關穩壓器的效率在90%范圍內，但會增加直流輸出軌的噪聲，并且也是傳導(尤其是輻射)噪聲的來源，很容易導致產品無法通過強制性監管測試。

　　幸運的是，ADI公司的靜音開關系列采用各種創新設計技術，克服了這種“二選一”的困境，從而開發出高效、極低噪聲、微型穩壓器選項。