作者：Bill Schweber

　　具有高电流要求的数字IC，如FPGA和ASIC，越来越成为汽车、医疗、电信、工业、游戏和消费类音频/视频等嵌入式系统的中心。其中许多应用都是关键任务，如汽车驾驶辅助系统(ADAS)，以及高可靠性，如数据中心。

　　除了电流要求外，这些低压器件的电源轨也有严格的容差规格。以高效、精度、快速瞬态性能、稳定性和低噪声提供这种功率对于系统性能和完整性至关重要。

　　传统的开关稳压器控制器和电源子系统存在潜在的噪声问题，包括输出轨以及辐射电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI)、瞬态响应不足和布局限制。为了最大限度地降低噪声，一些应用使用小型、安静的低压差(LDO)稳压器，与早期的LDO相比，这些稳压器的效率更高。然而，即使是这些LDO通常也无法满足系统效率要求，从而导致散热问题。

　　LDO的有效替代方案是开关稳压器，但由于其时钟和开关功能，这些器件固有地具有更高的噪声。如果设计人员要充分利用这些开关器件，就需要降低这种噪声。

　　幸运的是，有一些新的方法可以平衡噪声与效率。本文着眼于电源转换设计的最新创新，这些创新具有高效率和最小的空间要求，以及大大降低的开关稳压器噪声。它探讨了创新型开关稳压器如何满足个位数电压、低于 10 安培 (A) 范围内的负载的多个目标，并介绍了微型静音开关 IC LTC33xx 家庭来自 ADI公司 作为例子。

　　电流/电压要求

　　当晶体管和IC在20下半年发明和推进时千 世纪，它们的众多优点之一是，与它们所取代的真空管相比，它们的每功能功率要求非常低——很容易达到 100 倍或更多。然而，这一进步很快导致每个器件和电路板的功能密度更高，以至于IC现在每个电源轨需要数十安培，并且通常在多个电源轨上。

　　需要这些高电流的IC包括现场可编程门阵列(FPGA)和专用IC(ASIC)，这些电流最终必须以热量的形式耗散大量相关功率。两者都广泛用于整个电子行业的嵌入式设备，包括汽车、医疗、工业、通信、游戏和消费类音频/视频设备。

　　FPGA 或 ASIC 所需的电流可以通过线路供电设备的 AC/DC 转换器或电池供电设备的 DC/DC 转换器提供。无论哪种情况，都需要一个后续的DC/DC降压(降压)稳压器，以在所需的电流水平下为负载提供和管理个位数的电源轨电压。

　　提供必要电源的一种方法是使用单个 DC/DC 降压稳压器来支持所有电路板设备，并将其放置在印刷电路板的侧面或角落，以帮助管理散热问题并简化 DC/DC 系统级架构。

　　但是，这种听起来简单的解决方案有其问题：

　　首先，由于距离和高电流水平(ΔV压降=负载电流I×走线电阻(R))，稳压器和负载之间不可避免地存在IR压降。解决方案是增加印刷电路板走线宽度或厚度或使用立式母线，但这些使用宝贵的电路板空间并增加物料清单 (BOM)。

　　克服IR压降的一种技术是使用负载电压的遥感，但这仅适用于单点非分散负载。它还带来了潜在的振荡新问题，因为较长的电源轨和检测引线的电感会影响稳压器和电源轨的瞬态性能。

　　最后，也是通常最难管理的问题，较长的电源轨也会受到更多的EMI/RFI噪声拾取的影响，或者可以有效地沿其长度辐射噪声，从而充当天线。该解决方案通常需要额外的旁路电容、直插式铁氧体磁珠和其他措施。根据其幅度和频率，这种噪声会对负载的可靠运行产生不利影响，并使满足噪声排放的各种法规要求变得具有挑战性。

　　噪声与效率难题

　　需要注意的是，DC/DC稳压器的“噪声与效率”难题与工程设计中的通常权衡不同。这种情况通常是关于评估权衡并找到平衡有利和不利属性的“最佳点”。

　　这种情况有何不同?大多数权衡方案允许设计人员故意接受较少的某个所需参数值，以换取更多的另一个参数值，沿着一系列权衡进行(图 1，上半部分)。

　　图 1：大多数设计情况允许工程师评估，然后沿着相当连续的路径(上)进行各种性能权衡，但对于开关稳压器与 LDO 的噪声/效率，设计最终位于一侧或另一侧，几乎没有“中间地带”(下)。(图片来源：Bill Schweber)

　　例如，设计人员可以选择一个吸收更多电流(坏)的运算放大器(op-amp)，以便提供比另一个运算放大器更高的压摆率(良好);在应用程序中进行权衡是可以接受或必要的。

　　然而，对于开关稳压器和LDO，它们的噪声和效率属性在很大程度上“融入”了它们的结构中。例如，设计人员不能说他们会接受噪声增加20%的LDO，以换取效率提高10%——这种权衡并不存在。相反，属性权衡范围存在差距(图 1，下半部分)。

　　静音开关稳压器解决权衡难题

　　另一种通常更好的解决方案是使用尽可能靠近其负载 IC 的单个 DC/DC 稳压器。这最大限度地减少了 IR 压降、印刷电路板占用空间以及轨噪声拾取和辐射。然而，要使这种方法可行，必须有小型、高效、低噪声的稳压器，这些稳压器可以放置在负载旁边，并且仍然满足其所有电流要求。

　　这就是许多静音开关稳压器解决问题的地方。这些稳压器不仅在几安培至 10 A 的电流水平下提供个位数电压输出，而且噪声极低，这是通过采用多种设计创新实现的。

　　这些稳压器通过静音开关1(第一代)和静音开关2(第二代)器件改变了LDO与开关稳压器差距的传统思维。这些设备的设计者确定了各种噪声源，并设计了衰减每个噪声源的方法。

　　请注意，静音开关稳压器不使用众所周知的合法“扩频”技术，即向时钟信号添加伪随机噪声。这拓宽了噪声频谱，同时降低了其在时钟频率下的幅度和谐波。虽然使用扩频时钟有助于满足监管限制，但它不会降低总噪声能量，实际上可能会在频谱中影响电路性能的部分产生一些噪声。

　　静音开关 1 器件的优点包括低 EMI、高效率和高开关频率，可将大部分剩余噪声从频谱部分移开，因为频谱会干扰系统运行或存在监管问题。静音切换器 2 的优势包括静音切换器 1 技术的所有功能以及集成精密电容器、更小的解决方案尺寸以及消除对印刷电路板布局的敏感性。

　　由于其小巧的外形尺寸(仅几毫米(平方毫米)和效率，这些开关稳压器可以非常靠近负载FPGA或ASIC，从而最大限度地提高性能并消除数据手册性能规格与使用现实之间的不确定性。它们改变了必须在接受更多噪声或更低效率之间做出选择的“二元”困境，使设计人员在噪声和效率方面具有这两种属性的最佳优势。

　　这些静音切换器的优势是如何实现的?它是通过采取多方面的方法完成的：

　　开关模式电源中噪声的主要原因是开关电流，而不是稳态电流。在传统开关稳压器的拓扑结构中，存在一条称为热回路的电流路径。该热回路不是一个独立的电流环路，而只是一个由两个实际电流环路的组件组成的虚拟电流环路(图 2)。

　　图 2：通常的开关稳压器拓扑具有称为热回路的虚拟电流环路;它由两个实际电流回路的组件组成，并具有开关电流。(图片来源：ADI公司)

　　ADI公司的静音开关2技术通过在IC封装中集成输入电容，使关键热回路尽可能小。此外，通过将热回路分成两个对称的形状，会产生两个极性相反的磁场，并且辐射噪声在很大程度上抵消了自身。

　　第二代架构支持快速开关边沿，可在高开关频率下实现高效率，同时实现良好的EMI性能。内部陶瓷电容器在直流输入电压(V在) 保持所有快速交流电流环路较小，从而提高 EMI 性能。

　　静音开关电源架构采用专有设计和封装技术，可在极高频率下最大限度地提高效率，并实现超低 EMI 性能，通过使用高度紧凑和稳健的设计轻松通过 CISPR 25 5 类峰值 EMI 限制。

　　使用有源电压定位(AVP)是一种输出电压取决于负载电流的技术。轻负载时，输出电压被调节到标称值以上，而在满载时，输出电压被调节到标称值以下。调整直流负载调整率以改善瞬态性能并降低输出电容要求。

　　静音切换器的众多家族

　　静音开关稳压器有多种系列和型号可供选择，每个系列具有不同的电压/电流额定值。一些额外的考虑因素因型号而异，例如固定输出与可调输出。LTC33xx 系列的各种成员包括：

　　LTC3307： 5 V、3 A 同步降压静音切换器，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封装

　　LTC3308A： 5 V、4 A 同步降压静音切换器，采用 2 mm × mm LQFN 封装

　　LTC3309A： 5 V、6 A 同步降压静音切换器，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封装

　　LTC3310： 5 V、10 A 同步降压静音切换器 2 英寸 3 mm × 3 mm LQFN 封装

　　更详细地观察LTC3310，这是一款非常小、低噪声、单片式、降压型DC/DC转换器，能够从2.25至5.5V输入电源提供高达10 A的输出电流;五外 范围为 0.5 伏至 V在.开关频率范围为 500 千赫兹 (kHz) 至高达 5 兆赫兹 (MHz)。它只需要几个外部无源元件，在大部分输出负载范围内的效率约为 90%(图 3)。

　　图 3：LTC3310 降压型 DC/DC 稳压器需要外部有源组件，并在其大部分负载范围内提供了高效率。(图片来源：ADI公司)

　　它有四个基本版本。这些器件在高达 5 MHz 的开关频率下提供低 EMI 和高效率，并且 LTC3310 系列的某些版本符合 AEC-Q100 汽车级认证。请注意，第一代 (SS1) 器件 — LTC3310 — 和第二代 (SS2) 器件 —LTC3310S 和 LTC3310S-1—可作为可调输出和固定输出设备提供(表 1)：

　　表 1： LTC3310 提供四种基本版本，代表第一代和第二代设计，以及固定和可调输出。(图片来源：ADI公司)

　　对于可调版本，输出电压通过输出和反馈 (FB) 引脚之间的电阻分压器进行硬编程，使用简单的公式来确定正确的电阻值(图 5)。

　　图 5：建立可调 LTC3310 器件的输出电压只需要一个基于简单公式的基本电阻分压器网络。(图片来源：ADI公司)

　　噪音水平通常在几十微伏。LTC3310 器件低噪声性能的两个关键指标是按照相关的 CISPR25 5 类峰值限值进行的噪声测试。其中包括传导噪声(图6)以及水平和垂直平面的辐射噪声(图7)。

　　图 6：基于 LTC3310S 的合理排列的稳压器满足严格的 CISPR25 传导 EMI 辐射 (具有 5 类峰值)限值。(图片来源：ADI公司)

　　图 7：对于辐射发射测试，LTC3310S 同时满足 CISPR25 规定的水平面(左)和垂直(右)平面 EMI 要求。(图片来源：ADI公司)

　　LTC3310 系列的另一个显著特点是器件可轻松并联用于多相较高电流操作，这是许多其他开关稳压器不支持或仅难以支持的特性。最简单的并联是两相操作，产生高达 20 A 的电流(图 8)。该方法可以很容易地扩展到三相、四相或更多相，以及相应的更高电流。

　　图 8：利用几个额外的组件，可以组合两个或多个 LTC3310 器件以实现多相更高电流操作;显示的是两相/20 A 配置。(图片来源：ADI公司)

　　评估板缩短设计周期

　　LTC3310 器件等稳压器在其应用中是直接的，因为它们没有初始化寄存器、软件控制功能或其他设置复杂性。尽管如此，在提交最终布局或 BOM 细节之前，能够评估其静态和动态性能并优化无源元件值在技术上是有意义的。LTC3310 评估板的可用性使此过程变得更加容易。ADI公司提供一系列与不同LTC3310版本和配置相匹配的此类电路板：

　　这 DC3042A 支持可调输出 LTC3310 器件(图 9)。

　　图 9：DC3042A 评估板专为具有用户可设置输出电压的 LTC3310 而设计。(图片来源：ADI公司)

　　除了指导用户进行基本设置和操作外，文档还包括原理图、电路板布局和物料清单 (BOM)。它还调用了各种测试点和连接，以及用于测量输出纹波和阶跃响应的探测布置(图 10)。

　　图 10：DC3042A 用户演示手册清楚地列出了测试点和连接(顶部)，以及用于测量输出纹波和阶跃响应的探测设置和配置。(图片来源：ADI公司)

　　对于具有固定输出电压的 LTC3310S-1，具有 DC3021A 评估板(图 11)。

　　图 11：对于输出电压不向用户可调的 LTC3310S-1，DC3021A 评估板是合适的选择。(图片来源：ADI公司)

　　最后，对于稍微复杂的多相并联安排，有 DC2874A-C (图12)。该评估板的LTC3310S用作多相2.0 MHz、3.3至1.2V降压稳压器。DC2874A 具有三种构建选项，可提供两相/20 A、三相/30 A 或四相/40 A 输出解决方案。

　　图 12：LTC3310S 的 DC2874A-C 评估板具有三种构建选项：两相/20 A、三相/30 A 或四相/40 A 输出。(图片来源：ADI公司)

　　通过使用 LTC3310S 并在适当的评估板及其相应的用户手册上投入一些时间，设计人员可以最大限度地减少花在 DC/DC 稳压器性能上的时间。

　　结论

　　传统上，工程师必须在两种相互冲突的DC/DC稳压器拓扑之间进行选择，这些拓扑具有明显相反的属性。LDO 提供非常低噪声的直流输出，但效率低到中等，使其成为超出约 1 A 输出的热挑战。相比之下，开关稳压器的效率在90%范围内，但会增加直流输出轨的噪声，并且也是传导(尤其是辐射)噪声的来源，很容易导致产品无法通过强制性监管测试。

　　幸运的是，ADI公司的静音开关系列采用各种创新设计技术，克服了这种“二选一”的困境，从而开发出高效、极低噪声、微型稳压器选项。