有限且不斷縮小的電路板空間、緊張的設計週期、嚴格的電磁干擾(EMI)規範(例如CISPR 32和CISPR 25)等相關限制因素,不斷提高著取得具有高效率和良好熱性能電源的難度。在整個設計週期中,基本上電源設計通常是處於設計過程的最後階段,設計人員需要努力地將複雜的電源擠進更緊湊的空間,而這使問題變得更加複雜,也非常令人沮喪。

為了按時完成設計,設計者只能在性能方面做出妥協,把問題丟給測試和驗證環節去處理。而簡單、高性能和解決方案尺寸這三項考慮因素通常相互衝突,尤其是當設計期限接近時,就只能優先考慮一、兩個而放棄第三個。如此看來,犧牲一些性能已經變得司空見慣了,但其實不應該是這樣的。

本文首先概述在複雜的電子系統中電源所帶來的嚴重問題:即EMI,通常簡稱為雜訊。電源會產生EMI,必須加以解決,那麼問題的根源是什麼?通常有何解決措施?本文並將介紹減少EMI的策略,提出一種解決方案來減少EMI、保持效率,並將電源放入有限的解決方案空間中。

什麼是EMI?

電磁干擾會干擾系統性能的電磁訊號。這種干擾透過電磁感應、靜電耦合或傳導來影響電路。它對汽車、醫療以及測試與測量設備製造商而言都是一項關鍵的設計挑戰。上面提到的許多限制和不斷提高的電源性能要求(功率密度增加、切換開關頻率更高以及電流更大等)只會擴大EMI的影響,因此極需解決方案來減少EMI。許多產業都要求必須滿足EMI標準,如果在設計初期不加以考慮,那麼將會嚴重影響產品的上市時間。

EMI耦合類型

EMI是電子系統中的干擾源與接收器(即電子系統中的一些元件)耦合時所產生的問題。EMI按其耦合介質可歸類為:傳導或輻射。

傳導EMI(低頻,450kHz至30MHz):傳導EMI透過寄生阻抗以及電源和接地連接,以傳導方式耦合到元件。雜訊透過傳導傳輸到另一個元件或電路。傳導EMI可以進一步分為共模雜訊和差模雜訊。

共模雜訊透過寄生電容和高dV/dt (C × dV/dt)進行傳導。它透過寄生電容沿著任意訊號(正或負)到GND的路徑傳輸,如圖1所示。

差模雜訊透過寄生電感(磁耦合)和高di/dt (L × di/dt)進行傳導。

20200222_ADI_TA71P11

圖1:差模和共模雜訊。

輻射EMI(高頻,30MHz 至1GHz):輻射EMI是透過磁場能量以無線方式傳輸到待測元件的雜訊。在切換開關電源中,該雜訊是高di/dt與寄生電感耦合的結果。輻射雜訊會影響鄰近的元件。

EMI控制技術

解決電源中EMI相關問題的典型方法是什麼?首先,確定EMI就是一個問題。這看似很顯而易見,但是確定其具體情況可能非常耗時,因為它需要使用EMI測試室(並非隨處都有),以便對電源產生的電磁能量進行量化,並確定該電磁能量是否符合系統的EMI標準要求。

假設經過測試,電源會帶來EMI問題,那麼設計人員將面臨透過多種傳統的校正策略來減少EMI的過程,其中包括:

  • 在盡可能小的電路板空間中實現高效率。
  • 良好的熱性能。
  • 佈局最佳化:精心的電源佈局與選擇合適的電源元件同樣重要。成功的佈局很大程度上取決於電源設計人員的經驗水準。佈局最佳化本質上是個反覆運算過程,經驗豐富的電源設計人員有助於最大限度地減少反覆運算次數,從而避免耽誤時間和產生額外的設計成本。問題是:內部人員往往不具備這些經驗。
  • 緩衝器:一些設計人員會提前規劃並為簡單的緩衝器電路(從切換開關節點到GND的簡單RC濾波器)提供佔位面積。如此可抑制切換開關節點的振鈴現象(一項產生EMI的因素),但是這種技術會導致損耗增加,從而對效率產生負面影響。
  • 降低邊緣速率:減少切換開關節點的振鈴也可以透過降低閘極導通的壓擺率來實現。遺憾的是,與緩衝器類似,這會對整個系統的效率產生負面影響。
  • 展頻(SSFM):許多ADI的Power by Linear切換開關穩壓器都具備該特性,它有助於產品設計透過嚴格的EMI測試標準。採用SSFM技術,在已知範圍內(例如程式設計頻率fSW上下±10%的變化範圍)對驅動切換開關頻率的時鐘進行調變。這有助於將峰值雜訊能量分配到更寬的頻率範圍內。
  • 濾波器和遮罩:濾波器和遮罩總是會佔用大量的成本和空間。它們也使生產複雜化。

以上所有制約措施都可以減少雜訊,但是它們也都存在缺陷。最大限度地減少電源設計中的雜訊通常能夠徹底解決問題,但卻很難實現。ADI的Silent Switcher和Silent Switcher 2穩壓器在穩壓器端實現了低雜訊,從而無需額外的濾波、遮罩或大量佈局反覆運算。由於不必採用昂貴的反制措施,加快了產品上市時間並節省大量的成本。

最大限度地減小電流迴路

為了減少EMI,必須確定電源電路中的熱迴路(高di/dt迴路)並減少其影響。熱迴路如圖2所示。在標準降壓轉換器的一個週期內,當M1關閉而M2打開時,交流(AC)電流沿著藍色迴路流動。在M1打開而M2關閉的關閉週期中,電流則沿著綠色迴路流動。產生最高EMI的迴路並非完全直覺可見,它既不是藍色迴路也不是綠色迴路,而是傳導全切換開關交流電流(從零切換到IPEAK,然後再切換回零)的紫色迴路。該迴路稱為熱迴路,因為它的AC和EMI能量最大。

導致電磁雜訊和切換開關振鈴的是切換開關穩壓器熱迴路中的高di/dt和寄生電感。要減少EMI並改進功能,需要儘量減少紫色迴路的輻射效應。熱迴路的電磁輻射騷擾隨其面積的增加而增加,因此,如果可能的話,請將熱迴路的PC面積減小到零,並使用零阻抗理想電容便可以解決該問題。

20200222_ADI_TA71P2

圖2:降壓轉換器的熱迴路。

使用Silent Switcher穩壓器實現低雜訊

磁場抵消
雖然不可能完全消除熱迴路區域,但是我們可以將熱迴路分成極性相反的兩個迴路。如此可以有效地形成局部磁場,這些磁場在距IC任意位置都可以有效地相互抵消。這就是Silent Switcher穩壓器背後的概念。

20200222_ADI_TA71P3

圖3: Silent Switcher穩壓器中的磁場抵消。

倒裝晶片取代鍵合線
改善EMI的另一種方法是縮短熱迴路中的導線。這可以透過放棄將晶片連接至封裝接腳的傳統鍵合線方法來實現。在封裝中倒裝矽晶片,並添加銅柱。透過縮短內部FET到封裝接腳和輸入電容的距離,可以進一步縮小熱迴路的範圍。

20200222_ADI_TA71P4

圖4: LT8610鍵合線的拆解示意圖。

20200222_ADI_TA71P5

圖5:帶有銅柱的倒裝晶片。

Silent Switcher與Silent Switcher 2

圖6顯示了使用Silent Switcher穩壓器的一個典型應用,可透過兩個輸入電壓接腳上的對稱輸入電容來識別。佈局在該方案中非常重要,因為Silent Switcher技術要求盡可能將這些輸入電容對稱佈置,以便發揮場相互抵消的優勢。否則,將喪失Silent Switcher技術的優勢。當然,問題是如何確保在設計及整個生產過程中的正確佈局。答案就是Silent Switcher 2穩壓器。

20200222_ADI_TA71P6

圖6:典型的Silent Switcher應用原理圖及其在PCB上的外觀。

Silent Switcher 2

Silent Switcher 2穩壓器能夠進一步減少EMI。透過將電容(VIN電容、INTVCC和升壓電容)整合到LQFN封裝中,消除了EMI性能對PCB佈局的敏感性,從而可以放置到盡可能靠近接腳的位置。所有熱迴路和接地層都在內部,從而將EMI降至最低,並使解決方案的總佔板面積更小。

20200222_ADI_TA71P7

圖7:Silent Switcher應用與Silent Switcher 2應用方塊圖。

20200222_ADI_TA71P8

圖8:去封的LT8640S Silent Switcher 2穩壓器。

Silent Switcher 2技術還可以改善熱性能。LQFN倒裝晶片封裝上的多個大尺寸接地裸露焊墊有助於封裝透過PCB散熱。消除高電阻鍵合線還可以提高轉換效率。在進行EMI性能測試時,LT8640S 能滿足CISPR 25 Class 5峰值限制要求,並且具有較大的裕量。

µModule Silent Switcher穩壓器

借助開發Silent Switcher產品組合所獲得的知識和經驗,並配合使用現有的廣泛µModule產品組合,可使電源產品易於設計,同時滿足電源的某些重要指標要求,包括熱性能、可靠性、精度、效率和良好的EMI性能。

圖9所示的LTM8053整合可實現磁場抵消的兩個輸入電容以及電源所需的其他一些被動元件。所有這些都透過一個 6.25mm × 9mm × 3.32mm BGA封裝實現,讓客戶可以專心地完成電路板的其他部分設計。

20200222_ADI_TA71P9

圖9:LTM8053 Silent Switcher外露晶片及EMI結果。

無需LDO穩壓器——電源案例研究

典型的高速ADC需要許多電壓軌,其中一些電壓軌雜訊必須非常低才能實現ADC資料表中的最高性能。為了在高效率、小尺寸板空間和低雜訊之間達成平衡,普遍接受的解決方案是將切換開關電源與LDO後置穩壓器結合使用,如圖10所示。切換開關穩壓器能夠以更高效率實現更高的降壓比,但雜訊相對也較大。低雜訊LDO後置穩壓器效率相對較低,但它可以抑制切換開關穩壓器產生的大部分傳導雜訊。盡可能減小LDO後置穩壓器的降壓比有助於提高效率。這種組合能產生乾淨的電源,從而使ADC以最高性能運行。但問題在於,多個穩壓器會使佈局變得更為複雜,並且LDO後置穩壓器在較高負載下,可能會衍生相關散熱問題。

20200222_ADI_TA71P10

圖10:為 AD9625 ADC供電的典型電源設計。

圖10所示的設計顯然需要進行一些權衡取捨。在這種情況下,低雜訊是優先考慮事項,因此效率和電路板空間必須做些讓步,但,也許不必如此。最新一代的Silent Switcher µModule元件將低雜訊切換開關穩壓器設計與µModule封裝相結合,其能夠同時實現易設計、高效率、小尺寸和低雜訊的目標。這些穩壓器不僅盡可能地減少了電路板的佔用空間,而且實現了可擴展性,其可使用一個µModule穩壓器為多個電壓軌供電更進一步節省了空間和時間。圖11顯示了使用LTM8065 Silent Switcher µModule穩壓器為ADC供電的電源樹替代方案。

20200222_ADI_TA71P11

圖11:使用Silent Switcher µModule穩壓器為AD9625供電,可節省空間的解決方案。

這些設計都已經過相互測試比較。ADI在最近發表的一篇文章對使用圖10和圖11所示電源設計的ADC性能進行了測試和比較。測試包括以下三種配置:

  • 使用切換開關穩壓器和LDO穩壓器為ADC供電的標準配置。
  • 使用LTM8065直接為ADC供電,不進行進一步的濾波。
  • 使用LTM8065和額外的輸出LC濾波器,進一步淨化輸出。

測得的SFDR和SNRFS結果顯示,LTM8065可用於直接為ADC供電,並不會影響ADC的性能。這個建置方案的核心優勢是能大幅減少元件數量,從而提高了效率,不但可簡化生產,並同時能減少電路板的佔位空間。

小結

總之,隨著更多系統級設計需要滿足更加嚴格的規範,盡可能充分利用模組化電源設計變得至關重要,尤其是在電源設計專業經驗有限的情況下。由於許多分眾市場要求系統設計必須符合最新的EMI規範要求,因此將Silent Switcher技術運用於小尺寸設計,同時借助µModule穩壓器簡單易用的特性將可大幅縮短產品上市時間,同時還可以節省電路板空間。

本文作者:

  • Bhakti Waghmare,ADI Power by Linear產品部μModule穩壓器產品行銷工程師
  • Diarmuid Carey,ADI歐洲中央應用中心應用工程師