安靜且簡(jiǎn)單的Silent Switcher器件
發(fā)布時(shí)間:2019-11-29 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】不言而喻,PC電路板的布局設(shè)計(jì)決定了每一種電源設(shè)計(jì)的成敗。它決定了一個(gè)電源的功能、電磁干擾(EMI)和熱行為。雖然開關(guān)電源布局不是黑魔法,但在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)經(jīng)常被忽視,最終發(fā)現(xiàn)其至關(guān)重要卻為時(shí)已晚。因此需要一種行之有效的方法,從一開始就削弱這些潛在的EMI威脅,方能確保電源安靜而穩(wěn)定。
雖然許多開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)人員都很清楚開關(guān)模式電源的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和細(xì)微差別,但很多公司根本沒(méi)有足夠的設(shè)計(jì)人員滿足所有項(xiàng)目需求完成設(shè)計(jì)。不少設(shè)計(jì)人員將退休并離開此行業(yè)!那么,如何解決這個(gè)問(wèn)題呢?
首先,就是因?yàn)槟M電源設(shè)計(jì)人員不足,所以要求越來(lái)越多的數(shù)字設(shè)計(jì)人員進(jìn)行開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)!雖然大多數(shù)數(shù)字設(shè)計(jì)人員都知道如何使用簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓器,但并非所有設(shè)計(jì)都要求降壓(降壓模式)。事實(shí)上,很多是升壓模式(升壓),甚至是降壓-升壓拓?fù)洌ń祲汉蜕龎耗J较嘟Y(jié)合)。
顯然,許多電子系統(tǒng)制造商都面臨一個(gè)問(wèn)題:如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的所有開關(guān)模式電源電路?
解決設(shè)計(jì)資源短缺問(wèn)題
在本文中,我將介紹降壓穩(wěn)壓器工作的一些基本原理,包括開關(guān)穩(wěn)壓器熱回路中的高di/dt和寄生電感如何導(dǎo)致電磁噪聲和開關(guān)振鈴。然后我們將看看如何減少高頻噪聲。我還將介紹ADI的Power by LinearTM Silent Switcher®技術(shù),包括它如何構(gòu)成,并演示它如何幫助解決EMI問(wèn)題,且絲毫不會(huì)影響性能。其中還包括SilentSwitcher器件如何工作。
我還將概述Silent Switcher的封裝和布局,討論這些封裝和布局如何提高降壓轉(zhuǎn)換器的整體性能。此外,我將演示如何將此技術(shù)融入我們的μModule®穩(wěn)壓器,從而提高SilentSwitcher器件的集成度。對(duì)于不熟悉開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)技術(shù)的設(shè)計(jì)人員,這些簡(jiǎn)單易用的解決方案會(huì)很有用。
基本降壓穩(wěn)壓器電路
最基本的電源拓?fù)渲皇墙祲悍€(wěn)壓器,如圖1所示。EMI從高di/dt回路開始。供電線和負(fù)載線不應(yīng)具有高交流電流分量。因此,輸入電容C2應(yīng)將所有相關(guān)電流的交流分量傳輸至輸出電容C1,所有電流交流分量在這里結(jié)束。
圖1. 同步降壓穩(wěn)壓器原理圖。
參考圖1,在M1關(guān)閉而M2打開的開啟周期中,交流電流在實(shí)線藍(lán)色回路中流動(dòng)。在關(guān)閉周期中,當(dāng)M1打開而M2關(guān)閉時(shí),交流電流在綠色虛線回路中流動(dòng)。大多數(shù)人難以理解,產(chǎn)生最高EMI的回路既不是實(shí)線藍(lán)色回路,也不是虛線綠色回路。而是虛線紅色回路中流動(dòng)的全開關(guān)交流電流,從零切換至I峰值,再回到零。虛線紅色回路通常指熱回路,因?yàn)樗凶罡呓涣麟娏骱虴MI能量。
導(dǎo)致電磁噪聲和開關(guān)振鈴的是開關(guān)穩(wěn)壓器熱回路中的高di/dt和寄生電感。要減少EMI并改進(jìn)功能,需要盡量減少虛線紅色回路的輻射效應(yīng)。如果我們能夠?qū)⑻摼€紅色回路的PC電路板面積減少到零,并且能夠買到具有零阻抗的理想電容,就能解決這個(gè)問(wèn)題。然而,在現(xiàn)實(shí)世界中,設(shè)計(jì)工程師所能做的就是找到一個(gè)最佳的折中方案!
那么,這些高頻噪聲到底是從哪里來(lái)的呢?在電子電路中,通過(guò)寄生電阻、電感和電容耦合,在開關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中,產(chǎn)生了高頻諧波。知道是哪里產(chǎn)生噪聲,那么如何減少高頻開關(guān)噪聲呢?減少噪聲的傳統(tǒng)方式是減慢MOSFET開關(guān)邊緣。通過(guò)減慢內(nèi)部開關(guān)驅(qū)動(dòng)器或從外部添加緩沖器,就可以實(shí)現(xiàn)。
但是,這會(huì)降低轉(zhuǎn)換器的效率,因?yàn)樵黾恿碎_關(guān)損耗——特別是當(dāng)開關(guān)穩(wěn)壓器在高開關(guān)頻率(如2MHz)下運(yùn)行時(shí)。說(shuō)到這里,我們?yōu)楹我?MHz的頻率下運(yùn)行呢?實(shí)際上有幾個(gè)原因:
● 它允許使用較小(尺寸)的外部元件,如電容和電感。例如,每次開關(guān)頻率加倍,會(huì)使電感值和輸出電容值減半。
● 在汽車應(yīng)用中,在2 MHz下開關(guān)可以避免在AM頻段產(chǎn)生噪聲。
減小輻射,也可使用濾波器和屏蔽,但這需要更多的外部元件和電路板面積。還可采用展頻(SSFM)技術(shù),但這樣在已知范圍內(nèi)會(huì)使系統(tǒng)時(shí)鐘抖動(dòng)。SSFM有助于滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)要求。EMI能量被打散分布在頻域上。雖然普通開關(guān)電源所選的開關(guān)頻率通常會(huì)在AM頻段之外(530 kHz至1.8 MHz),但在AM頻段內(nèi),未經(jīng)調(diào)制的開關(guān)諧波仍可能不符合嚴(yán)格的汽車EMI要求。添加SSFM功能可明顯減少AM頻段內(nèi)及其他區(qū)域中的EMI。
或者就使用ADI的Silent Switcher技術(shù),該技術(shù)能夠滿足上述所有要求:
● 高效率
● 高開關(guān)頻率
● 低電磁輻射(EMI)
Silent Switcher技術(shù)
Silent Switcher器件無(wú)需減慢開關(guān)邊緣速率,解決了EMI和效率之 間的權(quán)衡問(wèn)題。那么如何才能實(shí)現(xiàn)呢?考慮使用LT8610, a如圖2 左側(cè)所示。這是支持42 V輸入的單片(內(nèi)部有FET)同步降壓轉(zhuǎn)換器,可提供高達(dá)2.5 A的輸出電流。請(qǐng)注意,其左上角有一個(gè)輸入引腳(VIN)
圖2. 如何將LT8610轉(zhuǎn)換為Silent Switcher器件——LT8614。
但是,將LT8610與LT8614 (支持42V輸入的單片同步降壓轉(zhuǎn)換器,可提供高達(dá)4 A的輸出電流)相比,我們可以看到,LT8614在封裝的另一側(cè)有兩個(gè)VIN引腳和兩個(gè)接地引腳。這很重要,因?yàn)樗菍?shí)現(xiàn)超低噪聲開關(guān)的一部分!
如何使開關(guān)穩(wěn)壓器具有超低噪聲
如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)?在芯片另一側(cè)的VIN 和接地引腳之間放置兩個(gè)輸入電容可消除磁場(chǎng)?;脽羝型怀鲲@示了這一點(diǎn),在原理圖和演示板上均用紅色箭頭指向電容的位置,如圖3所示。
圖3. LT8614圖,顯示濾波器電容安置在IC另一側(cè)的VIN和接地引腳之間。
LT8614詳情
LT8614包含Silent Switcher功能。利用該功能,我們通過(guò)使用銅柱倒裝芯片封裝能夠減少寄生電感。此外,還有反向VIN、接地和輸入電容,可消除磁場(chǎng)(適用右手法則)以降低EMI輻射。
由于不需要使用焊線鍵合式裝配技術(shù)所要求的長(zhǎng)鍵合線,不會(huì)產(chǎn)生大的寄生電阻和電感,從而可減小封裝寄生電感。兩個(gè)對(duì)稱分布的輸入熱回路產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)相互抵消,并且電回路沒(méi)有凈磁場(chǎng)。
我們將LT8614 Silent Switcher穩(wěn)壓器與當(dāng)前先進(jìn)的開關(guān)穩(wěn)壓器LT8610進(jìn)行比較。在GTEM室中,對(duì)兩個(gè)器件的標(biāo)準(zhǔn)演示板使用相同負(fù)載、相同輸入電壓和相同電感進(jìn)行了測(cè)試。我們發(fā)現(xiàn),與使用LT8610具有很不錯(cuò)的EMI性能相比,使用LT8614時(shí)還能提高20dB,特別是在管理更高頻率更困難的區(qū)域。在整體設(shè)計(jì)中,與其他敏感系統(tǒng)相比,LT8614開關(guān)電源需要的濾波更少、距離更短,從而可以實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單緊湊的設(shè)計(jì)。此外,在時(shí)域內(nèi),LT8614在開關(guān)節(jié)點(diǎn)邊緣的性能良好。
圖4. LT8614輻射EMI性能可滿足最嚴(yán)格的CISPR 25 Class 5限制要求。
Silent Switcher器件的進(jìn)一步增強(qiáng)
盡管LT8614具有出色的性能,但我們并沒(méi)有停止改進(jìn)的步伐。于 是,LT8640 降壓穩(wěn)壓器采用Silent Switcher架構(gòu),旨在最大限度地 減少EMI/EMC輻射,同時(shí)在高達(dá)3 MHz的頻率下提供高效率。它采用3 mm × 4 mm QFN封裝,采用集成電源單片式結(jié)構(gòu),同時(shí)提供所有必需的電路功能,共同構(gòu)成PCB占用空間最小的解決方案。瞬態(tài)響應(yīng)性能仍然很出色,任何負(fù)載(從零電流到滿電流)時(shí)的輸出電壓紋波低于10 mV p-p。LT8640允許在高頻率下進(jìn)行高VIN到低VOUT轉(zhuǎn)換,最短開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間為30 ns。
為改進(jìn)EMI/EMC,LT8640可工作在展頻模式。該功能以20%的三角調(diào)頻調(diào)整時(shí)鐘。當(dāng)LT8640處于展頻調(diào)制模式時(shí),使用三角調(diào)頻功能在RT設(shè)定值與約高于該值20%之間調(diào)整開關(guān)頻率。調(diào)制頻率約為3 kHz。例如,當(dāng)LT8640設(shè)為2 MHz時(shí),3kHz速率下的頻率將從2MHz至2.4MHz不等。選擇展頻工作模式時(shí),突發(fā)模式Burst Mode®操作會(huì)禁用,器件將在脈沖跳躍模式或強(qiáng)制連續(xù)模式下運(yùn)行。
然而,盡管我們?cè)赟ilent Switcher數(shù)據(jù)手冊(cè)中都有說(shuō)明,如提供了原理圖和布局建議,以及將輸入電容放在盡可能靠近IC兩側(cè)的位 置——有一些客戶仍然會(huì)出錯(cuò)。此外,我們的內(nèi)部工程師也花了太多的時(shí)間來(lái)解決客戶的PCB布局問(wèn)題。因此,我們的設(shè)計(jì)人員提出了解決此問(wèn)題的最佳解決方案——Silent Switcher 2架構(gòu)。
Silent Switcher 2
采用Silent Switcher 2技術(shù),我們只需將電容集成在新LQFN封裝內(nèi):VIN電容、IntVCC和升壓電容——盡可能靠近引腳放置。優(yōu)勢(shì)是將所有熱回路和接地層都包括在內(nèi),從而降低了EMI。外部元件越少,解決方案尺寸就越小。此外,我們還消除了PCB布局敏感性。
如圖5所示,可以看出LT8640和LT8640S 的原理圖有何不同。而營(yíng) 銷突破口是為包含內(nèi)部電容的集成度更高的新版本冠以“S”的后綴。因?yàn)樗鹊谝淮?ldquo;安靜”!
圖5. LT8640S是一款具有更高的電容集成度的Silent Switcher 2器件。
Silent Switcher 2技術(shù)提高了散熱性能。LQFN倒裝芯片封裝上的多個(gè)大尺寸接地裸露焊盤有助于封裝和PCB散熱。由于我們消除了高電阻鍵合線,因此還提高了轉(zhuǎn)換效率。LT8640S的EMI性能輕松滿足輻射EMI性能CISPR 25 Class 5峰值限制要求并且有較大的裕量。
下一步:所有組件都與Silent Switcher 2 μModule穩(wěn)壓器集成
Silent Switcher技術(shù)如此引人注目,我們選擇將其融入我們的 μModule穩(wěn)壓器產(chǎn)品線。所有組件都集成在一個(gè)小尺寸封裝中, 為用戶提供了一個(gè)簡(jiǎn)單可靠、高性能和高電源密度的解決方案。 LTM8053 和LTM8073是幾乎集成了所有組件的微型模塊穩(wěn)壓器,只有少量電容和電阻接在外部。
圖6. LTM8053 Silent Switcher 2 μModule。
總結(jié)
綜上所述,Silent Switcher功能和優(yōu)勢(shì)將使您的開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)更容易滿足CISPR 32和CISPR 25等各種抗噪標(biāo)準(zhǔn)要求。它們能夠 輕松有效地做到這一點(diǎn)是由于以下特性:
● 能夠在大于2 MHz開關(guān)頻率下進(jìn)行高效轉(zhuǎn)換,并且對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響最小。
● 內(nèi)部旁路電容減少EMI輻射并提供更緊湊的解決方案占板空間。
● 采用Silent Switcher 2技術(shù)基本上消除了PCB布局的敏感性。
● 可選展頻調(diào)制有助于降低噪聲敏感度。
● 使用Silent Switcher器件既可節(jié)省PCB面積,又可減少所需的層數(shù)。
推薦閱讀:
特別推薦
- 授權(quán)代理商貿(mào)澤電子供應(yīng)Same Sky多樣化電子元器件
- 使用合適的窗口電壓監(jiān)控器優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- ADI電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制解決方案 驅(qū)動(dòng)智能運(yùn)動(dòng)新時(shí)代
- 倍福推出采用 TwinSAFE SC 技術(shù)的 EtherCAT 端子模塊 EL3453-0090
- TDK推出新的X系列環(huán)保型SMD壓敏電阻
- Vishay 推出新款采用0102、0204和 0207封裝的精密薄膜MELF電阻
- Microchip推出新款交鑰匙電容式觸摸控制器產(chǎn)品 MTCH2120
技術(shù)文章更多>>
- 中微公司成功從美國(guó)國(guó)防部中國(guó)軍事企業(yè)清單中移除
- 華邦電子白皮書:滿足歐盟無(wú)線電設(shè)備指令(RED)信息安全標(biāo)準(zhǔn)
- 功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(九)——功率半導(dǎo)體模塊的熱擴(kuò)散
- 準(zhǔn) Z 源逆變器的設(shè)計(jì)
- 第12講:三菱電機(jī)高壓SiC芯片技術(shù)
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
單向可控硅
刀開關(guān)
等離子顯示屏
低頻電感
低通濾波器
低音炮電路
滌綸電容
點(diǎn)膠設(shè)備
電池
電池管理系統(tǒng)
電磁蜂鳴器
電磁兼容
電磁爐危害
電動(dòng)車
電動(dòng)工具
電動(dòng)汽車
電感
電工電路
電機(jī)控制
電解電容
電纜連接器
電力電子
電力繼電器
電力線通信
電流保險(xiǎn)絲
電流表
電流傳感器
電流互感器
電路保護(hù)
電路圖