在汽車、醫(yī)療、電信、工業(yè)、游戲和消費(fèi)類音頻/視頻等應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)中，需要大電流的數(shù)字 IC（例如 FPGA 和 ASIC）正在成為一個(gè)越來越常見的核心組件。這樣應(yīng)用中有許多是任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用（例如汽車駕駛輔助系統(tǒng) [ADAS]）和高可靠性應(yīng)用（例如數(shù)據(jù)中心）。

除電流要求外，這些低電壓器件還對電源軌的公差規(guī)格提出了嚴(yán)格的要求。提供高效、準(zhǔn)確、快速瞬態(tài)性能、穩(wěn)定和低噪聲的電源對于系統(tǒng)性能和完整性至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓器控制器和電源子系統(tǒng)都有潛在的噪聲問題，這些噪聲出現(xiàn)在輸出軌上，或以輻射電磁干擾 (EMI) 和射頻干擾 (RFI) 的形式出現(xiàn)，此外，還有瞬態(tài)響應(yīng)不足和布局局限性等問題。為了最大限度減少噪聲，一些應(yīng)用使用小型、安靜的低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器，與早期的 LDO 穩(wěn)壓器相比，效率有所提高。然而，即使是這些 LDO 穩(wěn)壓器，通常也無法滿足系統(tǒng)效率要求，從而導(dǎo)致散熱問題。

開關(guān)穩(wěn)壓器是 LDO 穩(wěn)壓器的高效替代方案，但這些器件由于具有時(shí)鐘和開關(guān)功能而天生就有高噪聲問題。如果設(shè)計(jì)人員想要充分利用這些開關(guān)器件，就需要減少這些噪聲。

幸運(yùn)的是，可以采用一些新的方法在噪聲與效率之間取得平衡。本文將介紹電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)方面的最新創(chuàng)意，這些創(chuàng)新具有高效率和非常小的空間需求，并大幅減少了開關(guān)穩(wěn)壓器的噪聲。文中將探討創(chuàng)新的開關(guān)穩(wěn)壓器如何滿足個(gè)位數(shù)電壓、10 A 以下范圍內(nèi)負(fù)載的多個(gè)目標(biāo)，并以 Analog Devices 推出的 LTC33xx 系列為例介紹微型 Silent Switcher IC。

電流/電壓的要求

隨著晶體管和 IC 在 20 世紀(jì)下半葉問世并不斷改進(jìn)，它們展示了很多優(yōu)點(diǎn)，其中之一是，與其所取代的真空管相比各項(xiàng)功能的功率需求非常低——很可能是前者的 100 分之一甚至更少。然而，這一進(jìn)步很快導(dǎo)致每個(gè)器件和電路板的功能密度增大，以至于 IC 現(xiàn)在每個(gè)電源軌都需要數(shù)十 A 的電流，而且往往多個(gè)電源軌都是如此。

在需要這些大電流的 IC 中，最終必須以熱量形式耗散大量電能的是現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 和應(yīng)用特定的 IC (ASIC)。這兩者都廣泛應(yīng)用于整個(gè)電子行業(yè)的各種嵌入式器件，包括汽車、醫(yī)療、工業(yè)、通信、游戲和消費(fèi)類音頻/視頻器件。

FPGA 或 ASIC 所需的電流可以由 AC/DC 轉(zhuǎn)換器（用于線路供電的器件）或 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（用于電池供電的器件）提供。在這兩種情況下，后續(xù)都需要使用一個(gè) DC/DC 降壓穩(wěn)壓器，以所需的電流水平為負(fù)載提供并管理個(gè)位數(shù)的電源軌電壓。

為了提供所需的電源，其中一種方法是使用單個(gè) DC/DC 降壓穩(wěn)壓器支持所有的電路板器件，并將其放在 PC 板的邊角，以幫助管理散熱問題并簡化 DC/DC 系統(tǒng)級架構(gòu)。

不過，這種聽起來簡單的解決方案也有其問題：

首先，由于距離和高電流水平，穩(wěn)壓器與負(fù)載之間會(huì)不可避免地出現(xiàn) IR 壓降（ΔV 壓降 = 負(fù)載電流 I × 印制線電阻 [R]）。解決這一問題的辦法是增大 PC 板印制線的寬度或厚度，或者使用立式母線，但這兩種辦法都會(huì)占用寶貴的電路板空間，并增加物料清單 (BOM) 的項(xiàng)目。

在負(fù)載處使用遠(yuǎn)程電壓感測是一種克服 IR 壓降的技術(shù)，但只適用于單點(diǎn)、非分散的負(fù)載。這種技術(shù)還會(huì)帶來新的潛在振蕩問題，因?yàn)楦L的電源軌和感測引線的電感會(huì)影響穩(wěn)壓器和電源軌的瞬態(tài)性能。

最后，也是通常最難解決的問題是，更長的電源軌還會(huì)拾取更多的 EMI/RFI 噪聲，或者更容易沿其長度方向輻射噪聲，就像天線一樣。解決辦法通常需要采用額外的旁路電容器、在線鐵氧體磁珠以及其他措施。根據(jù)其幅度和頻率，這種噪聲會(huì)對負(fù)載的可靠運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，并且難以滿足關(guān)于噪聲排放的各種監(jiān)管規(guī)定。

要噪聲還是要效率的兩難選擇

需要注意的是，DC/DC 穩(wěn)壓器的“要噪聲還是要效率”兩難選擇不同于工程設(shè)計(jì)中通常進(jìn)行的權(quán)衡。后者往往是評估相關(guān)利弊，并在各種有利與不利因素之間找到平衡的“甜點(diǎn)”。

這種情況有什么不同呢？在大多數(shù)權(quán)衡場景中，設(shè)計(jì)人員可以沿著連續(xù)的權(quán)衡軸有意地犧牲部分所需的參數(shù)值來換取更多的另一個(gè)參數(shù)值（圖 1，上圖）。

圖 1：在大多數(shù)設(shè)計(jì)情況中，工程師可以進(jìn)行評估，然后沿著一個(gè)相當(dāng)連續(xù)的路徑進(jìn)行各種性能權(quán)衡（上圖），但對于開關(guān)穩(wěn)壓器與 LDO 的噪聲/效率，設(shè)計(jì)最終只能二選一，幾乎沒有“中間地帶”（下圖）。（圖片來源：Bill Schweber）

例如，設(shè)計(jì)人員可以選擇一個(gè)消耗更多電流（缺點(diǎn)）的運(yùn)算放大器，以提供比其他運(yùn)算放大器更高的壓擺率（有點(diǎn)）；在應(yīng)用中作出這種權(quán)衡是可接受的，也是必要的。

但對于開關(guān)穩(wěn)壓器和 LDO，它們的噪聲和效率屬性已在很大程度上“固化”于其結(jié)構(gòu)中。例如，設(shè)計(jì)人員不能選擇接受一個(gè)噪聲增加 20% 的 LDO，以換取 10% 的效率提升——這種類型的權(quán)衡不存在。事實(shí)上，這種屬性權(quán)衡跨度中存在一個(gè)缺口（圖 1，下圖）。

Silent Switcher 穩(wěn)壓器解決了這一權(quán)衡難題

另一種通常更好的解決辦法是在盡可能靠近負(fù)載 IC 的位置，使用單獨(dú)的 DC/DC 穩(wěn)壓器。這樣可以最大限度減小 IR 壓降、PC 板基底面以及電源軌噪聲拾取和輻射。不過，為使這種方法可行，就必須采用可以放置于負(fù)載旁但依然滿足所有電流要求的小巧、高效、低噪聲穩(wěn)壓器。

這是許多 Silent Switcher 穩(wěn)壓器能解決問題的原因所在。這些穩(wěn)壓器采用多項(xiàng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，不僅能以幾 A 到 10 A 的電流水平提供個(gè)位數(shù)的電壓輸出，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)極低的噪聲。

這些穩(wěn)壓器利用 Silent Switcher 1（第一代）和 Silent Switcher 2（第二代）器件，改變了人們對 LDO 與開關(guān)穩(wěn)壓器之間差距的傳統(tǒng)認(rèn)知。這些器件的設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)了多個(gè)噪聲源，并設(shè)計(jì)了方法來減弱每個(gè)來源的噪聲。

請注意，Silent Switcher 穩(wěn)壓器不使用眾所周知的合法“擴(kuò)頻”技術(shù)，也就是在時(shí)鐘信號(hào)中加入偽隨機(jī)噪聲。這樣可以拓寬噪聲頻譜，同時(shí)降低其在時(shí)鐘頻率下的振幅及其諧波。盡管使用擴(kuò)頻時(shí)鐘有助于滿足監(jiān)管限制，但不能減少總噪聲能量，事實(shí)上，這樣可能導(dǎo)致部分頻譜中產(chǎn)生一些噪聲，進(jìn)而影響電路性能。

Silent Switcher 1 器件的優(yōu)點(diǎn)包括低 EMI、高效率和高開關(guān)頻率，后者可將許多殘余噪聲移出會(huì)干擾系統(tǒng)運(yùn)行或產(chǎn)生監(jiān)管問題的頻譜部分。Silent Switcher 2 則在 Silent Switcher 1 技術(shù)的所有特性之外增加了一些優(yōu)點(diǎn)，如集成式精密電容器、更小的解決方案尺寸，以及消除了對 PC 板布局的敏感性。

由于極小的外形尺寸（僅幾毫米 [mm] 見方）和高效率，這些開關(guān)可以置于非?？拷?fù)載 FPGA 或 ASIC 的位置，因此最大限度提高了性能，并消除了規(guī)格書性能規(guī)格與實(shí)際使用情況之間的不確定性。它們改變了選擇接受更多噪聲還是更低效率的“二元”困境，使設(shè)計(jì)人員能夠在低噪聲與高效率這兩種屬性之間做到魚與熊掌兼得。

Silent Switcher 是如何實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)點(diǎn)的？其間的秘訣在于采用多層面的方法：

開關(guān)模式電源產(chǎn)生噪聲的主要原因是開關(guān)電流，而不是穩(wěn)態(tài)電流。在傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓器的拓?fù)渲?，有一個(gè)被稱為熱環(huán)路的電流路徑。此熱環(huán)路并不是一個(gè)獨(dú)立的電流環(huán)路，而是由兩個(gè)真實(shí)電流環(huán)路的某些部分組成的虛擬電流環(huán)路（圖 2）。

圖 2：常用開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)渚哂幸粋€(gè)虛擬電流環(huán)路，稱為熱環(huán)路；它由兩個(gè)真實(shí)電流環(huán)路的某些部分組成，并具有開關(guān)電流。（圖片來源：Analog Devices）

Analog Devices 的 Silent Switcher 2 技術(shù)在 IC 封裝中集成了輸入電容器，以盡可能減小關(guān)鍵熱環(huán)路的尺寸。此外，通過將熱環(huán)路拆分成兩個(gè)對稱的形狀，產(chǎn)生了兩個(gè)極性相反的磁場，輻射噪聲在很大程度上得以自行抵消。

第二代架構(gòu)支持快速切換邊緣，因此能夠在高開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)高效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的 EMI 性能。DC 輸入電壓 (VIN) 采用內(nèi)部陶瓷電容器，可確保所有快速 AC 電流環(huán)路夠小，從而提高 EMI 性能。

Silent Switcher 架構(gòu)采用專有的設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)，可在極高頻率下最大程度提升效率并支持超低 EMI 性能，以極其緊湊和穩(wěn)健的設(shè)計(jì)，輕松通過了 CISPR 25 Class 5 峰值 EMI 限制。

它采用有源電壓定位 (AVP) 技術(shù)，其中輸出電壓取決于負(fù)載電流。在輕負(fù)載時(shí)，將輸出電壓調(diào)節(jié)到標(biāo)稱值以上，而在滿負(fù)荷時(shí)，將輸出電壓調(diào)節(jié)到標(biāo)稱值以下。對 DC 負(fù)載調(diào)節(jié)進(jìn)行了調(diào)整，以提高瞬態(tài)性能并降低輸出電容器要求。

Silent Switcher 的眾多系列

Silent Switcher 穩(wěn)壓器分為許多系列和型號(hào)，每個(gè)系列具有不同的額定電壓/電流。其他一些考慮因素因型號(hào)而異，例如固定輸出還是可調(diào)輸出。LTC33xx 系列的成員包括：

LTC3307：5 V、3 A 同步降壓 Silent Switcher，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝

LTC3308A：5 V、4 A 同步降壓 Silent Switcher，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝

LTC3309A：5 V、6 A 同步降壓 Silent Switcher，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝

LTC3310：5 V、10 A 同步降壓 Silent Switcher 2，采用 3 mm × 3 mm LQFN 封裝

更仔細(xì)地觀察 LTC3310 會(huì)發(fā)現(xiàn)，這是一款非常小的低噪聲單芯片 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器，能夠使用 2.25 至 5.5 V 的輸入電源提供高達(dá) 10 A 的輸出電流；VOUT 范圍為 0.5 V 至 VIN。開關(guān)頻率從 500 kHz 到 5 MHz 不等。它只需幾個(gè)外部無源元器件，能夠在其大部分輸出負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)約 90% 的效率（圖 3）。

圖 3：LTC3310 DC/DC 降壓穩(wěn)壓器需要外部有源元器件，能夠在其大部分負(fù)載范圍內(nèi)提供高效率。（圖片來源：Analog Devices）

它有四個(gè)基本版本。這些器件能夠在高達(dá) 5 MHz 的開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)低 EMI 和高效率，部分 LTC3310 系列版本還通過了 AEC-Q100 汽車認(rèn)證。請注意，第一代 (SS1) 器件 LTC3310 以及第二代 (SS2) 器件 LTC3310S 和 LTC3310S-1 都可同時(shí)提供可調(diào)輸出和固定輸出版本（表 1）：

表 1：LTC3310 有四個(gè)基本版本，代表第一代設(shè)計(jì)和第二代設(shè)計(jì)以及固定輸出和可調(diào)輸出。（圖片來源：Analog Devices）

對于可調(diào)版本，輸出電壓通過輸出引腳與反饋 (FB) 引腳之間的電阻分壓器進(jìn)行硬編程，并使用簡單的方程來確定正確的電阻值（圖 5）。

圖 5：只需使用基于簡單方程的基本電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)，即可建立可調(diào)式 LTC3310 器件的輸出電壓。（圖片來源：Analog Devices）

噪聲水平通常僅為幾十 μV。LTC3310 器件低噪聲性能的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是按照相關(guān)的 CISPR25 Class 5 峰值限制執(zhí)行的噪聲測試，包括傳導(dǎo)噪聲（圖 6）及水平平面和垂直平面的輻射噪聲（圖 7）。

圖 6：基于 LTC3310S 正確排列的穩(wěn)壓器符合嚴(yán)格的 CISPR25 傳導(dǎo) EMI 放射（Class 5 峰值）限制。（圖片來源：Analog Devices）

圖 7：對于輻射放射測試，LTC3310S 同時(shí)符合 CISPR25 規(guī)定的水平平面（左）和垂直平面（右）EMI 要求。（圖片來源：Analog Devices）

LTC3310 系列還有一個(gè)值得注意的特性，那就是可以輕松并聯(lián)使用這些器件，以實(shí)現(xiàn)多相高電流運(yùn)行，而很多其他的開關(guān)穩(wěn)壓器并不支持或只能勉強(qiáng)支持這一功能。最簡單的并聯(lián)適用于兩相運(yùn)行，可產(chǎn)生高達(dá) 20 A 的電流（圖 8）。這種方法可以輕松擴(kuò)展到三相、四相甚至更多相，并相應(yīng)產(chǎn)生更高的電流。

圖 8：使用幾個(gè)額外的元器件，可以將兩個(gè)或更多 LTC3310 器件組合在一起，以實(shí)現(xiàn)多相高電流運(yùn)行；圖中所示的是兩相/20 A 配置。（圖片來源：Analog Devices）

評估板縮短了設(shè)計(jì)周期

由于沒有任何初始化寄存器、軟件控制功能或其他復(fù)雜設(shè)置，LTC3310 器件之類的穩(wěn)壓器可以直接用于應(yīng)用中。盡管如此，在交付最終布局或 BOM 規(guī)格之前，能夠評估這些穩(wěn)壓器的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能并優(yōu)化無源元器件值，在技術(shù)層面也是有意義的。LTC3310 評估板的問世大大簡化了這一過程。Analog Devices 針對各種 LTC3310 版本和配置提供了相應(yīng)的評估板：

DC3042A 支持可調(diào)輸出 LTC3310 器件（圖 9）。

圖 9：DC3042A 評估板專為 LTC3310 而設(shè)計(jì)，支持用戶設(shè)置輸出電壓。（圖片來源：Analog Devices）

除了引導(dǎo)用戶完成基本設(shè)置和操作以外，說明文檔中還包含原理圖、板布局和物料清單 (BOM)。除外，它還標(biāo)出了各個(gè)測試點(diǎn)和連接，以及用來測量輸出紋波和階躍響應(yīng)的探頭布置（圖 10）。

圖 10：DC3042A 用戶演示手冊清楚地列出了測試點(diǎn)和連接（頂部），以及用來測量輸出紋波和階躍響應(yīng)的探頭設(shè)置和配置。（圖片來源：Analog Devices）

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

圖 11：對于不允許用戶調(diào)節(jié)輸出電壓的 LTC3310S-1，應(yīng)當(dāng)選擇 DC3021A 評估板。（圖片來源：Analog Devices）

最后，對于更加復(fù)雜的多相并聯(lián)布置，可以選擇 DC2874A-C（圖 12）。此評估板將 LTC3310S 作為多相 2.0 MHz、3.3 至 1.2 V 降壓穩(wěn)壓器來運(yùn)行。DC2874A 具有三個(gè)構(gòu)建選項(xiàng)，可提供兩相/20 A、三相/30 A 或四相/40 A 的輸出解決方案。

圖 12：適用于 LTC3310S 的 DC2874A-C 評估板具有三個(gè)構(gòu)建選項(xiàng)：兩相/20 A、三相/30 A 或四相/40 A 輸出。（圖片來源：Analog Devices）

通過使用 LTC3310S 并投入一些時(shí)間了解適用的評估板以及相應(yīng)的用戶手冊，設(shè)計(jì)人員可以最大限度減少在 DC/DC 穩(wěn)壓器性能方面花費(fèi)的時(shí)間。

總結(jié)

過去，工程師們不得不在兩種相互沖突、屬性截然相反的 DC/DC 穩(wěn)壓器拓?fù)渲g做出選擇。LDO 可提供超低噪聲 DC 輸出，但效率僅為中低水平，因此在輸出超過大約 1 A 的電流時(shí)會(huì)遇到散熱問題。相比之下，開關(guān)穩(wěn)壓器的效率在 90% 以上，但會(huì)導(dǎo)致 DC 輸出軌的噪聲增加，同時(shí)還是產(chǎn)生傳導(dǎo)噪聲（尤其是輻射噪聲），很容易導(dǎo)致產(chǎn)品無法通過強(qiáng)制性監(jiān)管測試。

幸運(yùn)的是，Analog Devices 推出的 Silent Switcher 系列采用多項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)，克服了這種只能“二選一”的困境，因此提供了多種極其高效、噪聲超低、外形小巧的穩(wěn)壓器選擇。

審核編輯 黃宇