原标题：如何使用集成电源模块解决 DC/DC 噪声、效率和布局问题

　　为 10 伏(典型值)或更低的低电压和大约 2 到 15 安培 (A) 的适度电流水平构建基本的降压(降压)DC/DC 稳压器似乎并不难。设计人员只需使用数据表或应用笔记中的示例电路选择合适的开关稳压器 IC 并添加一些无源元件即可。但设计是否真的完成并准备好进行试运行，甚至投入生产?可能不是。

　　虽然稳压器提供了所需的直流电源轨，但它仍然存在一些潜在的问题和问题。首先，效率可能无法满足项目目标或法规要求，从而增加了热影响，并缩短了电池寿命。其次，可能需要额外的组件来确保正确的启动、瞬态性能和低纹波，这反过来会影响尺寸、上市时间和整体材料清单 (BOM)。最后，也许最具挑战性的是，该设计可能无法满足各种监管规定所定义的对电磁干扰 (EMI) 或射频干扰 (RFI) 日益严格的限制，因此需要重新设计或进一步增加组件和测试。

　　本文描述了基本 DC/DC稳压器设计与满足或超过效率、低辐射和纹波噪声以及整体集成要求的卓越设计之间的预期和性能差距。然后，本文介绍了Analog Devices 的Silent Switcher µModules，并展示了如何使用它们来解决多个 DC/DC 降压稳压器问题。

　　一开始，IC 让它看起来很简单

　　降压 DC/DC(降压)稳压器广泛用于提供 DC 轨。一个典型的系统可能有数十个提供不同的轨道电压或相同电压的物理分离的轨道。这些降压稳压器通常采用较高的电压，通常在 5 至 36 伏直流电压之间，并在几安培或低两位数安培时将其调节至单伏特值(图 1)。

　　图 1：DC/DC 稳压器(转换器)的作用很简单：采用未稳压的 DC 电源(可能来自电池或经整流和滤波的 AC 线路)，并提供严格稳压的 DC 轨作为输出。(图片来源：电子诊所)

　　构建基本降压稳压器时有好消息也有坏消息。好消息是，构建一个提供名义上“足够好”性能的产品通常并不困难。有许多开关 IC 可用于完成大部分任务，只需要一个场效应晶体管 (FET)(或根本不需要)和几个无源元件即可完成工作。由于稳压器 IC 的数据表几乎总是显示带有原理图、电路板布局和可能提供组件供应商名称和部件号的 BOM 的典型应用电路，因此这项任务变得更加容易。

　　工程难题在于，对于某些非显而易见的调节器性能参数而言，“良好”的性能水平可能不够。虽然输出 DC 轨可以提供足够的电流，并具有足够的线路/负载调节和瞬态响应，但这些因素只是电源轨故事的开始。

　　现实情况是，除了这些基本绩效标准之外，监管机构还受到其他因素的评估，其中一些因素是由外部要求驱动的。大多数稳压器必须解决的三个关键问题并不一定很明显，仅从接受非稳压直流输入并提供稳压直流输出的功能块的简单角度来看。它们是(图 2)：

　　冷却：高效率和相关的最小热影响。

　　安静：低纹波可实现无差错系统性能，加上低 EMI 可满足辐射噪声标准(非声学)。

　　完整：一种集成解决方案，可最大限度地减少尺寸、风险、BOM、上市时间和其他“软”问题。

　　图 2：DC/DC 稳压器必须做的不仅仅是提供稳定的电源轨;它还必须凉爽、高效、EMI“安静”并且功能齐全。(图片来源：Math.stackexchange.com;作者修改)

　　解决这些问题会带来一系列挑战，而解决这些问题可能会令人沮丧。这符合“80/20 规则”，即 80% 的努力用于完成最后 20% 的任务。更详细地查看三个因素：

　　酷：每个设计师都想要高效率，但究竟有多高，成本是多少?答案是通常的答案：它取决于项目及其权衡。提高效率很重要，主要有以下三个原因：

　　它转化为一种冷却器产品，可以提高可靠性，可以在更高的温度下运行，可以消除强制空气(风扇)冷却的需要，或者如果可行，可以简化有效对流冷却的设置。在高端，可能需要将运行特别热的特定组件保持在其最大允许温度以下并保持在其安全工作区域内。

　　即使这些热因素不是问题，效率也可以转化为电池供电系统的更长运行时间或减轻上游 AC-DC 转换器的负担。

　　现在有许多监管标准规定了每一类最终产品的特定效率水平。虽然这些标准并未针对产品中的单个导轨提出效率要求，但设计人员面临的挑战是确保整体总效率符合要求。当每个供电轨的 DC/DC 稳压器效率更高时，这会更容易，因为这提供了与其他轨和其他损耗源求和的净空。

　　安静：设计师关注的噪声有两大类。首先，DC/DC 稳压器输出的噪声和纹波必须足够低，以免对系统性能产生不利影响。随着轨道电压在数字电路中下降到低个位数，以及对于即使是几毫伏的纹波都会降低性能的精密模拟电路，这一问题日益受到关注。

　　另一个主要问题与 EMI 有关。有两种类型的 EMI 辐射：传导和辐射。传导发射会在连接到产品的电线和迹线上传播。由于噪声局限于设计中的特定端子或连接器，因此通常可以在开发过程的早期通过良好的布局和滤波器设计来确保符合传导发射要求。

　　然而，辐射发射更为复杂。电路板上的每条承载电流的导体都会辐射电磁场：每条电路板走线都是天线，每个铜平面都是镜子。纯正弦波或直流电压以外的任何东西都会产生宽信号频谱。

　　困难在于，即使经过精心设计，设计人员在系统得到测试之前也永远不会真正知道辐射发射有多糟糕，并且在设计基本完成之前无法正式执行辐射发射测试。滤波器用于通过使用各种技术衰减特定频率或频率范围内的电平来降低 EMI。

　　通过使用金属板作为磁屏蔽来衰减一些通过空间辐射的能量。使用铁氧体磁珠和其他滤波器控制印刷电路板迹线(传导)上的低频部分。屏蔽有效，但带来了一系列新问题。它必须经过精心设计，具有良好的电磁完整性(通常非常困难)。它增加了成本，增加了空间，使热管理和测试更加困难，并引入了额外的组装成本。

　　另一种技术是减慢稳压器的开关边沿。然而，这具有降低效率、增加最小开启和关闭时间以及所需的死区时间以及损害电流控制回路速度的不良影响。

　　还有一种方法是通过仔细选择关键设计参数来调整稳压器设计以减少辐射 EMI。平衡这些稳压器折衷的任务涉及评估开关频率、占位面积、效率和产生的 EMI 等参数的相互作用。

　　例如，较低的开关频率通常会降低开关损耗和 EMI 并提高效率，但需要更大的组件以及相关的占位面积增加。对更高效率的追求伴随着最短的开关时间，由于更快的开关转换导致更高的谐波含量。一般来说，假设开关容量和转换时间等所有其他参数保持不变，则随着开关频率每增加一倍，EMI 就会恶化 6 分贝 (dB)。当开关频率增加 10 倍时，宽带 EMI 的行为类似于发射高 20 dB 的一阶高通滤波器。

　　为了克服这个问题，经验丰富的印刷电路板设计人员将使稳压器的电流环路(“热环路”)变小，并使用尽可能靠近有源层的屏蔽接地层。然而，在去耦组件中足够的能量存储所需的引脚排列、封装结构、热设计要求和封装尺寸决定了一定的最小热回路尺寸。

　　为了使布局问题更具挑战性，典型的平面印刷电路板在 30 兆赫 (MHz) 以上的迹线之间具有磁性或变压器式耦合。这种耦合会削弱滤波效果，因为谐波频率越高，不需要的磁耦合就越有效。

　　哪些标准是相关的?

　　EMI 领域没有单一的指导标准，因为它在很大程度上取决于应用程序和相关的管理授权。其中引用最多的是 EN55022、CISPR 22 和 CISPR 25。EN 55022 是 CISPR 22 的修改衍生产品，适用于信息技术设备。该标准由欧洲电工标准化委员会 CENELEC 制定，负责电工工程领域的标准化工作。

　　这些标准很复杂，定义了测试程序、探针、仪器、数据分析等。在该标准定义的众多限制中，B 类辐射发射限制通常是设计人员最感兴趣的。

　　完整：即使设计情况得到很好的理解，以正确的方式选择和使用所需的支持组件也是一项挑战。元件布局和规格、PC 板接地和走线以及其他因素的细微差异都会对性能产生不利影响。

　　建模和仿真是必要的并且可以提供帮助，但很难描述与这些组件相关的寄生效应，尤其是当它们的值发生变化时。此外，供应商的变化(或首选供应商未宣布的变化)可能会导致第二层或第三层参数值(例如电感器直流电阻 (DCR))发生细微变化，这可能会产生重大且意想不到的后果。

　　此外，即使是对无源元件进行轻微的重新定位或添加“仅增加一个”，也可能会改变 EMI 情况并导致发射超出允许的限制。

　　SilentSwitcher µModules 解决了这些问题

　　预测和管理风险是设计师工作的正常部分。减少这些风险的数量和强度是标准的最终产品策略。一种解决方案是使用功能完整的 DC/DC 稳压器，通过良好的设计和实施，该稳压器凉爽、安静且完整。使用已知设备可降低不确定性，同时解决尺寸、成本、EMI、BOM 和组装风险。这样做还可以加快上市时间并减少监管合规焦虑。

　　通过查看此类稳压器的完整系列，例如 Analog Devices 的 Silent Switcher µModules，设计人员可以选择与所需电压和电流额定值相匹配的 DC/DC 稳压器，同时确保满足 EMI 要求、尺寸和成本会被人知道，不会有意外。

　　这些稳压器包含的不仅仅是创新的原理图和拓扑结构。他们使用的技术包括：

　　技术#1：调节器的开关充当RF振荡器/源，并与充当天线的键合线结合。这会将组件变成一个射频发射器，其不需要的能量可能超过允许的限制(图 3、4 和 5)。

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　　图 3：从 IC 裸片到封装的键合线充当微型天线并辐射不需要的射频能量。(图片来源：Analog Devices)

　　图 4：Silent Switcher 组件首先用倒装芯片技术取代了焊线，从而消除了能量辐射线。(图片来源：Analog Devices)

　　图 5：倒装芯片方法有效地消除了天线并将辐射能量降至最低。(图片来源：Analog Devices)

　　技巧 2：使用对称输入电容器通过产生平衡、相反的电流来限制 EMI(图 6)。

　　图 6：还添加了双镜像输入电容器以限制 EMI。(图片来源：Analog Devices)

　　技术#3。最后，使用相反的电流回路来消除磁场(图 7)。

　　图 7：电流回路方向相反的内部布局也消除了不需要的磁场。(图片来源：Analog Devices)

　　这些 Silent Switcher µModule 代表了降压稳压器设计和封装的演变，从带有支持组件的 IC 到带有集成电容器的 LQFN IC，再到带有必需电容器和电感器的 µModule(图 8)。

　　图 8：通过在封装中加入电容器和电感器，Silent Switcher µModules 是以 IC 为中心的开关稳压器发展的第三阶段。(图片来源：Analog Devices)

　　广泛的产品满足需求和权衡

　　Silent Switcher µModules 由许多单独的单元组成，这些单元具有不同的输入电压范围、输出电压轨和输出电流额定值。例如，LTM8003是一款 3.4 至 40 伏输入、3.3 伏输出、3.5 A 连续(6 A 峰值)µModule，符合 CISPR 25 5 类限制，但尺寸仅为 9 × 6.25 毫米 (mm) 和 3.32 毫米高(图 9)。

　　图 9：LTM8003 Silent Switcher 是一款纤巧、独立的封装，可轻松满足 DC 至 1000 MHz 的 CISPR 25 5 类峰值辐射能量限制。(图片来源：Analog Devices)

　　它采用符合故障模式影响分析 (FMEA) 标准 (LTM8003-3.3) 的引脚排列，这意味着在相邻引脚短路或引脚悬空期间，输出保持在或低于调节电压。典型静态电流仅为 25 微安 (µA)，H 级版本的额定工作温度为 150°C。

　　设计人员可以使用DC2416A演示(演示)板来练习稳压器并评估其应用性能(图 10)。

　　图 10：DC2416A 演示板简化了与 LTM8003 Silent Switcher 器件的连接和评估。(图片来源：Analog Devices)

　　两个名义上相似的 Silent Switcher µModule 系列成员，LTM4657(3.1 至 20 伏输入;0.5 至 5.5 伏@8 A 输出)和LTM4626(3.1 至 20 伏输入;0.6 至 5.5 伏，12 A 输出)显示设备提供的权衡的性质。LTM4657 使用比 LTM4626 更高值的电感器，使其能够在较低频率下工作以降低开关损耗。

　　LTM4657 是高开关损耗和低导通损耗的更好解决方案，例如在负载电流低和/或输入电压高的应用中。观察在相同开关频率下工作的 LTM4626 和 LTM4657，以及相同的 12V 输入和 5V 输出，可以看出 LTM4657 的出色开关损耗(图 11)。此外，其较高值的电感器可降低输出电压纹波。然而，LTM4626 可以提供比 LTM4657 更大的负载电流。

　　图 11：LTM4626 和 LTM4657 在 1.25MHz 的效率比较，在 DC2989A 演示板上具有相同配置，显示出适度但明显的差异。(图片来源：Analog Devices)

　　用户可以使用DC2989A演示板评估 LTM4657 的性能(图 12)，而对于需要评估 LTM4626 的用户，可以使用DC2665A-A板(图 13)。

　　图 12：DC2989A 演示板旨在加快 LTM4657 Silent Switcher 的评估。(图片来源：Analog Devices)

　　图 13：对于 LTM4626 Silent Switcher 模块，DC2665A-A 演示板可用于促进练习和评估。(图片来源：Analog Devices)

　　Silent Switcher µModules 不限于单输出模块。例如，LTM4628是一款完整的双路 8 A 输出开关 DC/DC 稳压器，可轻松配置为提供单路 2 相 16 A 输出(图 14)。该模块采用 15 mm × 15 mm × 4.32 mm LGA 和 15 mm × 15 mm × 4.92 mm BGA 封装。它包括开关控制器、功率 FET、电感器和所有支持组件。

　　图 14：LTM4628 可配置为双输出、每通道 8 A 开关 DC/DC 稳压器，或单输出、16 A 输出配置。(图片来源：Analog Devices)

　　该模块在 4.5 至 26.5 伏的输入电压范围内工作，并支持 0.6 至 5.5 伏的输出电压范围，由单个外部电阻器设置。用户可以使用DC1663A演示板研究其作为单输出或双输出设备的性能(图 15)。

　　图 15：使用其 DC1663A 演示板加速了单/双输出 LTM4628 的评估。(图片来源：Analog Devices)

　　结论

　　使用可用的 IC 设计功能正常的 DC/DC 稳压器相当容易。然而，设计一个同时具有卓越效率、功能完整并满足各种令人困惑和严格的监管要求的监管机构却并非如此。Analog Devices 的 Silent Switcher µModules 简化了设计过程。它们通过满足凉爽和高效运行、低于允许限值的 EMI 排放和完全投入使用的目标来消除风险。