有限且不斷縮小的電路板空間、緊湊的設計周期和嚴格的電磁干擾 （EMI） 規(guī)范（例如 CISPR 32 和 CISPR 25）是難以生產具有高效率和良好熱性能的電源的限制因素。由于設計周期常常將電源設計推到接近設計流程的尾聲，因此事情變得更加復雜——這是一個令人沮喪的秘訣，因為設計人員試圖將復雜的電源擠入更緊湊的位置。性能受到影響以按時完成設計，從而將罐頭推向測試和驗證。傳統(tǒng)上，簡單性、性能和解決方案數(shù)量是矛盾的：優(yōu)先考慮一兩個所需的功能，而沒有第三個——尤其是在設計截止日期迫在眉睫的時候。犧牲被接受為正常；他們不應該。

本文首先概述了復雜電子系統(tǒng)中電源帶來的一個重要問題：EMI，通常簡稱為噪聲。電源會產生它，必須加以解決，但來源是什么，典型的緩解策略是什么？本文介紹了降低 EMI 的策略，提出了一種降低 EMI、保持效率以及將電源安裝到有限的解決方案體積中的解決方案。

什么是電磁干擾？

電磁干擾是一種干擾系統(tǒng)性能的電磁信號。這種干擾通過電磁感應、靜電耦合或傳導影響電路。對于汽車、醫(yī)療以及測試和測量設備制造商來說，這是一項關鍵的設計挑戰(zhàn)。上面提到的許多限制以及對電源不斷增長的性能要求——提高功率密度、更高的開關頻率和更高的電流——只會擴大 EMI 的影響，因此需要解決方案來降低它。在許多行業(yè)中，必須滿足 EMI 標準，如果不在設計周期的早期考慮，則會顯著影響產品上市時間。

EMI 耦合類型

當干擾源與接收器（即電子系統(tǒng)中的某些組件）耦合時，EMI 是電子系統(tǒng)中的一個問題。EMI 按其耦合介質分類：傳導或輻射。

傳導 EMI（低頻，450 kHz 至 30 MHz）

傳導 EMI 通過寄生阻抗以及電源和接地連接傳導到組件。噪聲通過傳導傳輸?shù)搅硪粋€設備或電路。傳導 EMI 可進一步分為共模噪聲或差模噪聲。

共模噪聲通過寄生電容和高 dV/dt （C × dV/dt） 傳導。它遵循從任何信號（正或負）通過寄生電容到 GND 的路徑，如圖 1 所示。

差模噪聲通過寄生電感（磁耦合）和高 di/dt （L × di/dt） 傳導。

圖 1. 差模和共模噪聲。

輻射 EMI（高頻，30 MHz 至 1 GHz）

輻射 EMI 是通過磁能無線傳輸?shù)奖粶y設備的噪聲。在開關電源中，噪聲是高 di/dt 加上寄生電感的結果。這種輻射噪聲會影響附近的設備。

EMI 控制技術

解決電源中 EMI 相關問題的典型方法是什么？首先，確定 EMI 是一個問題。這似乎很明顯，但獲取這些知識可能很耗時，因為它需要使用 EMI 室（并非在每個角落都可用）來量化電源產生的電磁能量，以及它是否充分符合系統(tǒng)。

假設在測試后，電源會出現(xiàn) EMI 問題，我們將面臨通過許多傳統(tǒng)校正策略來降低它的過程，包括：

以最小的電路板面積實現(xiàn)高效率。

良好的熱性能。

布局優(yōu)化：仔細的電源布局與為電源選擇正確的組件同樣重要。成功的布局很大程度上取決于電源設計人員的經驗水平。布局優(yōu)化本質上是迭代的，經驗豐富的電源設計人員可以幫助最大限度地減少迭代次數(shù)，避免時間延遲和額外的設計成本。問題是：這種經驗在公司內部并不常見。

緩沖器：一些設計人員提前計劃并為簡單的緩沖器電路提供封裝（從開關節(jié)點到 GND 的簡單 RC 濾波器）。這可以抑制開關節(jié)點振鈴（EMI 的一個因素），但這種技術會導致?lián)p耗增加，對效率產生負面影響。

降低邊沿速率：降低開關節(jié)點振鈴也可以通過降低柵極開啟的壓擺率來實現(xiàn)。不幸的是，就像緩沖器一樣，這會對整體系統(tǒng)效率產生負面影響。

擴頻頻率調制 （SSFM）：此功能在許多 Analog Devices Power by Linear? 開關穩(wěn)壓器中作為一個選項實施，可幫助設計通過嚴格的 EMI 測試標準。在 SSFM 中，用于驅動開關頻率的時鐘在已知范圍內進行調制（例如，在編程的 fSW 周圍有 ±10% 的變化）。這有助于將峰值噪聲能量分布在更寬的頻率范圍內。

過濾器和屏蔽：過濾器和屏蔽在金錢和空間上總是很昂貴。它們也使生產復雜化。

上述所有突發(fā)事件都可以降低噪音，但它們都有缺點。將電源設計中的噪聲降至最低通常是最干凈的途徑，但很難實現(xiàn)。ADI Silent Switcher? 和 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器在穩(wěn)壓器上實現(xiàn)了低噪聲，無需額外的濾波、屏蔽或重要的布局迭代。避免昂貴的對策可以加快產品上市時間，并可以節(jié)省大量成本。

最小化電流環(huán)路

要降低 EMI，必須確定電源電路中的熱環(huán)路（高 di/dt 環(huán)路）并減少其影響。熱回路如圖 2 所示。在標準降壓轉換器的一個周期中，交流流過藍色回路，M1 閉合，M2 斷開。在 M1 打開和 M2 關閉的關閉周期中，電流通過綠色回路。產生最高 EMI 的回路既不是藍色回路也不是綠色回路，這并不完全直觀——只有紫色回路傳導一個完全開關的交流電，從零切換到 IPEAK，然后又回到零。該環(huán)路被稱為熱環(huán)路，因為它具有最高的交流和 EMI 能量。

開關熱回路中的高 di/dt 和寄生電感會導致電磁噪聲和開關振鈴。為了降低 EMI 并提高功能性，需要盡可能降低紫色環(huán)路的輻射效應。熱回路的輻射發(fā)射隨其面積而增加，因此如果可能的話，將熱回路的 PC 面積減小到零并使用具有零阻抗的理想電容器可以解決問題。

圖 2. 降壓轉換器熱回路。

使用 Silent Switcher 穩(wěn)壓器實現(xiàn)低噪聲

磁對消

將熱循環(huán)面積減少到零是不可能的，但我們可以將熱循環(huán)分成兩個極性相反的循環(huán)。這有效地包含了局部磁場，磁場在距 IC 任何距離處有效地相互抵消。這就是 Silent Switcher 穩(wěn)壓器背后的概念。

圖 3. Silent Switcher 穩(wěn)壓器中的磁抵消。

倒裝芯片取代引線鍵合

另一種改善 EMI 的方法是縮短熱回路中的導線。這可以通過取消將管芯連接到封裝引腳的傳統(tǒng)引線鍵合方法來完成。在封裝中，硅被翻轉并添加了銅柱。通過縮短從內部 FET 到封裝引腳和輸入電容器的距離，這進一步減小了熱回路的面積。

靜音切換器與靜音切換器 2

圖 6. 典型的 Silent Switcher 應用原理圖及其在 PCB 上的外觀。

圖 6 顯示了使用 Silent Switcher 穩(wěn)壓器的典型應用，可通過兩個輸入電壓引腳上的對稱輸入電容器來識別。布局在此方案中很重要，因為 Silent Switcher 技術要求這些輸入電容器盡可能對稱地布局，以提供互場抵消優(yōu)勢。否則，Silent Switcher 技術的優(yōu)勢將喪失。當然，問題是如何確保設計和整個生產過程中的布局正確？答案是 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器。

靜音切換器 2

Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器進一步降低了 EMI。通過將電容器集成到 LQFN 封裝（VIN 電容、INTVCC 和升壓電容）中，消除了對 PCB 布局的 EMI 性能敏感性，允許盡可能靠近引腳放置。所有的熱回路和接地層都是內部的，從而最大限度地降低了 EMI，并且整個解決方案的占位面積更小。

圖 7. Silent Switcher 應用程序與 Silent Switcher 2 應用程序圖。

圖 8. 去蓋的 LT8640S Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器。

Silent Switcher 2 技術還可以提高熱性能。LQFN 倒裝芯片封裝上的大型多接地裸焊盤有助于將熱量從封裝中提取到 PCB 中。更高的轉換效率也源于消除了高電阻鍵合線。在測試 EMI 性能時，LT8640S以較大的裕度通過了 CISPR 25 5 類峰值限制。

μModule Silent Switcher 穩(wěn)壓器

利用在開發(fā) Silent Switcher 產品組合時獲得的知識和經驗，并將其與已經龐大的 μModule? 產品組合相結合，使我們能夠提供易于設計的電源產品，同時滿足電源的一些最重要指標——熱、可靠性、準確度、效率和出色的 EMI 性能。

圖 9 顯示了LTM8053集成了兩個輸入電容，允許消除磁場，以及該電源運行所需的許多其他無源組件。所有這些都是在 6.25 mm × 9 mm × 3.32 mm BGA 封裝中實現(xiàn)的，這使客戶可以將精力集中在電路板設計的其他領域。

圖 9. LTM8053 Silent Switcher 裸露芯片和 EMI 結果。

不再需要 LDO 穩(wěn)壓器——電源案例研究

一個典型的高速 ADC 需要多個電壓軌，其中一些電壓軌必須非常安靜才能實現(xiàn) ADC 數(shù)據(jù)表中列出的最高性能。實現(xiàn)高效率、小板面積和低噪聲平衡的普遍接受的解決方案是將開關電源與 LDO 后置穩(wěn)壓器相結合，如圖 10 所示。開關穩(wěn)壓器能夠以高效率實現(xiàn)相對較高的降壓比，但相對嘈雜。低噪聲 LDO 后置穩(wěn)壓器的效率相對較低，但它可以抑制開關穩(wěn)壓器產生的大部分傳導噪聲。最小化 LDO 后置穩(wěn)壓器的降壓比有助于提高效率。這種組合產生清潔電源，使 ADC 以最高性能水平運行。問題在于眾多監(jiān)管機構的復雜布局，

圖 10. 為AD9625 ADC供電的典型電源設計 。

在圖 10 所示的設計中，有幾個權衡是顯而易見的。在這種情況下，低噪聲是一個優(yōu)先事項，因此效率和電路板空間必須受到影響。或者可能不是。最新一代 Silent Switcher μModule 器件將低噪聲開關穩(wěn)壓器設計與 μModule 封裝相結合——實現(xiàn)了迄今為止無法實現(xiàn)的簡單設計、高效率、緊湊尺寸和低噪聲的組合。這些穩(wěn)壓器最大限度地減少了電路板面積，但也實現(xiàn)了可擴展性——一個 μModule 穩(wěn)壓器可以為多個電壓軌供電，從而進一步節(jié)省面積和時間。圖 11 顯示了使用LTM8065 Silent Switcher μModule 穩(wěn)壓器為 ADC 供電的替代電源樹。

圖 11. 使用 Silent Switcher μModule 穩(wěn)壓器為 AD9625 供電的節(jié)省空間的解決方案。

這些設計已經相互測試。ADI 最近發(fā)表的一篇文章對使用圖 10 和圖 11 中的電源設計的 ADC 性能進行了測試和比較。1測試了三種配置：

使用開關穩(wěn)壓器和 LDO 穩(wěn)壓器為 ADC 供電的標準配置。

使用 LTM8065 直接為 ADC 供電，無需進一步濾波。

使用增加了一個輸出 LC 濾波器的 LTM8065 來進一步凈化輸出。

測量的 SFDR 和 SNRFS 結果表明，LTM8065 可用于直接為 ADC 供電，而不會影響 ADC 的性能。

這種實施的核心好處是顯著減少了組件數(shù)量，從而提高了效率、更容易生產并減少了電路板面積。

概括

總之，隨著我們看到向具有更嚴格規(guī)范的更多系統(tǒng)級設計的轉變，在可能的情況下使用模塊化電源設計非常重要，尤其是在電源設計專業(yè)知識很少的情況下。由于許多細分市場要求系統(tǒng)設計通過最新的 EMI 規(guī)范，Silent Switcher 技術的使用被集成到小尺寸中，而 μModule 穩(wěn)壓器的易用性可以大大縮短您的上市時間，同時節(jié)省電路板面積。

Silent Switcher μModule 穩(wěn)壓器的優(yōu)勢

節(jié)省 PCB 布局設計時間（無需重新旋轉電路板來糾正噪聲問題）。

無需額外的 EMI 濾波器（節(jié)省組件和電路板面積成本）。

減少了對內部電源專家調試電源噪聲的需求。

在寬工作頻率范圍內實現(xiàn)高效率。

在為噪聲敏感的設備供電時，無需使用 LDO 后置穩(wěn)壓器。

縮短設計周期。

以最小的電路板面積實現(xiàn)高效率。

良好的熱性能。

作者：Bhakti Waghmare ，Diarmuid Carey

審核編輯：郭婷