如何使用集成电源模块解决 DC/DC 的噪声、能效和布局的问题

来源：Digi-Key
作者：Bill Schweber

构建一款具有 10 V（典型值）或更低的电压、大约 2 A 至 15 A 的适度电流水平的基本降压型 DC/DC 稳压器似乎并不难。设计者只需选择合适的开关稳压器 IC，并利用数据手册或应用说明上的示例电路添加一些无源器件即可。但到这一步设计就完成了吗？可以立即发布进行试运行，甚至投入生产吗？可能还不行。

虽然稳压器提供了所需的 DC 电源轨，但仍然存在几个潜在的问题。首先，能效可能不符合项目的目标或监管要求，从而会增大热冲击，缩短电池寿命。其次，可能需要额外的元件来确保正常启动、瞬态性能和低纹波，这反过来又会影响尺寸、上市时间和总材料清单 (BOM)。最后，也许是最具挑战性的，设计可能不符合各种法规中关于电磁干扰 (EMI) 或射频干扰 (RFI) 的日益严格的限制，因此需要重新设计或进一步增加部件和测试。

本文将介绍基本的 DC/DC 稳压器设计与满足或超过关于能效、低辐射和纹波噪声以及整体集成度要求的卓越设计在设计期望值和性能之间的差距。然后，介绍 Analog Devices 的 Silent Switcher μModule 器件，并展示如何使用这些器件来解决多个 DC/DC 降压稳压器问题。

最初，看起来 IC 能简化问题

降压型 DC/DC 稳压器广泛用于提供 DC 电源轨。一个典型的系统可能有几十个这样的电源轨，用于提供不同的电源轨电压或在同一电压下的分离式电源轨。通常，这些降压稳压器采用典型值在 5 VDC 至 36 VDC 之间的较高电压，并在几个安培或较小的两位数安培的电流下将该电压降至一个单电压值（图 1）。


图 1：DC/DC 稳压器（转换器）的作用很简单：取一个未经稳压的 DC 源，可能来自电池或经过整流、滤波的 AC 线路，然后提供一个经过严格稳压的 DC 电源轨作为输出。（图片来源：Electronic Clinic）

在构建基本的降压型稳压器时喜忧参半。好的方面是，构建能提供名义上性能“足够好”的系统一般来说并不困难。有许多开关式集成电路可以完成大部分任务，其余的只需要一个场效应晶体管 (FET)（或根本不需要）和一些无源器件即可。这项任务会变得更加容易，因为各种稳压器 IC 的数据表中几乎都会给出一个典型的应用电路，包括原理图、电路板布局以及一份列出了元器件供应商名称和零件编号的 BOM。

在工程上的困境是，就一些不明显的稳压器性能参数而言，达到“良好”的性能水平可能是不够的。虽然输出 DC 电源轨可能提供足够的电流，具有适当的线路/负载调节和瞬态响应，但这些因素只是电源轨故事的开始。

实际上，除了这些基本的性能标准外，稳压器还需就其他因素进行评估，而其中一些是由外部需求驱动的。大多数稳压器必须解决三大关键问题，但仅从那些接受非稳压 DC 输入并提供稳压 DC 输出的功能块的简单角度来看，这些问题未必显而易见。具体问题是（图 2）：

· 发热小：高能效和相关的发热影响最小。
· 静音：具有适合无故障系统性能的低纹波，以及满足辐射噪声标准（非声学）的低 EMI。
· 全面：一种能最大限度地减少尺寸、风险、BOM、上市时间和其他“软”问题的解决方案。


图 2：DC/DC 稳压器必须不仅能够提供稳定的电源轨，还必须发热小、高效、EMI“静音”并且功能全面。（图片来源：Math.stackexchange.com；由作者修改）

要解决这些问题就要面临一系列挑战并且将会是一种让人沮丧的体验。这符合“80/20 法则”，即用 80% 的努力去完成最后“20%”的任务。让我们详细了解一下这三个因素：

发热小：每位设计师都想获得高能效，但究竟有多高，需要付出多大代价？答案是常见的：这取决于项目及其各种权衡。在这三大原因中，更高的能效很重要：

1、换句话说，让发热更小的产品能提高可靠性，可在更高的温度下运行，可能不需要强制风冷（风扇）或者在可行的情况下简化设置有效的对流冷却的。在高端领域，对于那些运行温度特别高的部件，可能要求将其运行温度保持在最高允许温度内且在其安全工作区域内运行。
2、即使这些热因素不是问题，高能效也意味着能延长电池供电型系统的运行时间或者减轻上游 AC-DC 转换器的负担。
3、现在有许多监管标准都规定了每一类终端产品的具体能效水平。虽然这些标准并未要求产品中单电源轨的能效，但设计者面临的挑战是确保整体的总能效符合要求。当每个发挥作用的电源轨的 DC/DC 稳压器具有更高能效时，就能很容易的达到上述目的，因为这样就会为与其他电源轨和其他损耗源的叠加提供了余地。

静音：设计者关心的噪音分为两大类。首先，DC/DC 稳压器输出端的噪声和纹波必须足够低，不得对系统性能产生不利影响。随着数字电路中电源轨电压下降到较低的值（个位数），这一点越来越受到关注，而且对精密模拟电路来说，即使纹波只有几毫伏也会降低性能。

另一个主要关注点与 EMI 有关。存在两种 EMI 放射：传导式和辐射式。传导性电磁放射取决于连接产品的印制线和导线。由于在设计中噪声集中在具体的端子或连接器上，因此通常来讲，在开发过程中通过良好的布局和滤波器设计，就可以相对较早地保证设计符合传导放射要求。

然而，辐射式放射则更为复杂。电路板上每个载流导体都会辐射出一个电磁场：电路板上的每条印制线都是一根天线，每一个铜平面都像一面镜子。除纯正弦波或 DC 电压外的任何东西都会产生一个宽信号频谱。

困难在于，即使认真设计，设计者永远都不会在系统进行测试之前真正地了解辐射放射会有多糟糕，而在设计基本完成之前，是无法正式地进行辐射放射测试的。滤波器用来通过各种技术来衰减特定频率下或者一系列频率范围内的电平，进而减少 EMI。

对于通过空间辐射的一些能量，则是通过将金属板作为磁屏蔽体来实现衰减的。采用铁氧体磁珠及其他滤波器来控制 PC 板印制线上的低频 EMI（传导式）。这是一种有效的屏蔽方式，但同时产生了一系列新问题。必须精心设计且具有良好的电磁完整性（但困难往往会出乎意料）。这样做会增加成本和所需的板面积，加大热管理和测试的困难程度，并导致额外的装配成本。

另一种技术是减缓稳压器的开关边缘。然而，这样做会降低能效、延长最小通断时间以及所需的空载时间，而且会严重影响电流控制回路的速度。

还有一种方法是调整稳压器的设计，通过仔细选择关键的设计参数来减少 EMI 辐射。这些稳压器的平衡工作涉及评估诸如开关频率、所需板面积、能效及由此产生的 EMI 等参数的相互作用。

例如，较低开关频率通常会降低开关损耗、电磁干扰并提高能效，但需要较大的元件并相应地增大所需板面积。通过减小最短导通和关断时间可满足对更高能效的需求，但由于开关转换速度较快，会导致谐波含量较高。一般来说，假设如开关容量、转换时间等所有其他参数保持不变，则开关频率每增加一倍，EMI 就会恶化 6 dB。宽带 EMI 的表现就像一阶高通滤波器，当开关频率增加 10 倍时，发射量会增加 20 dB。

为了克服这个问题，经验丰富的电路板设计者会将稳压器电流回路（“热回路”）设计得很小，并使用尽可能靠近有源层的屏蔽接地层。然而，引脚布局、封装结构、热设计要求以及在去耦元件中充分储能所需的封装尺寸决定了最小热环尺寸。

为了使布局问题更具挑战性，典型的平面 PC 板在 30 MHz 以上的印制线之间存在磁性或变压器式耦合。这种耦合将削弱滤波能力，因为谐波频率越高，就会形成越有效的有害磁耦合。

有哪些相关标准？

在 EMI 领域没有单一的指导标准，因为这主要是由应用和相关的管理授权决定的。其中被引用最多的标准是 EN55022、CISPR 22 和 CISPR 25。EN 55022 是 CISPR 22 的改良衍生版本，适用于 IT 技术设备。该标准由欧洲电工技术标准化委员会 (CENELEC) 制定，针对电工工程领域的标准化工作。

这些标准很复杂，对测试程序、探头、仪器仪表、数据分析等做了具体规定。在该标准规定的许多限值中，设计者最感兴趣的往往是针对 B 类辐射发射的限值。

全面：即使对设计情况相当了解，做到正确选择和采用所需的辅助组件也并非易事。元器件的放置和规格、PC 板的接地和印制线以及其他因素的细微差别都会对性能产生不利影响。

建模和仿真是必要的，也是有帮助的，但要特征化与这些器件相关的寄生效应将非常困难，特别是当器件的值发生变化时。此外，供应商变化（或首选供应商未宣布的变化）可能会引起二级或三级参数值发生微妙变化（如电感器的直流电阻 (DCR)），这可能会导致意外的严重后果。

而且，即使对无源器件进行轻微的重新定位或仅仅增加“一个”，也会改变 EMI 情况，导致发射超过允许限值。

SilentSwitcher μModules 解决了这些问题

预测和管理风险是设计者工作的一个正常部分。减少这些风险的数量、强度是标准的终端产品战略。具体的解决方案是采用功能全面的 DC/DC 稳压器，即通过良好的设计和实施，使其实现发热小、静音和全面。使用已知设备可以减少不确定性，同时解决尺寸、成本、EMI、BOM 和装配风险等问题。这样做也会加快上市时间，并减少是否满足监管合规要求导致的烦恼。

通过查看此类稳压器的完整系列，如 Analog Devices 的 Silent Switcher μModules，设计者可以选择与所需额定电压、电流相匹配的 DC/DC 稳压器，同时确保满足 EMI 要求，已知晓尺寸和成本并且不会出现意外。

这些稳压器所包含的内容已远超创新的原理和拓扑结构。这些稳压器采用的技术包括：

技术 #1：将稳压器的开关作动作用作射频振荡器/源，并与作为天线的键合线结合。这就把该组件变成了一个射频发射器，但不需要的能量可能会超过允许的限度（图 3、4 和 5）。


图 3：从 IC 芯片到封装的键合线具有微型天线的功能，会辐射出不必要的射频能量。（图片来源：Analog Devices）


图 4：Silent Switcher 组件首先用倒装芯片技术取代了键合线，从而消除了能够辐射能量的导线。（图片来源：Analog Devices）


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

技术 #2：使用对称输入电容，通过构建平衡的、方向相反的电流来抑制 EMI（图 6）。


图 6：还添加了两个镜像输入电容来抑制 EMI。（图片来源：Analog Devices）

技术 #3：最后，使用方向相反的电流环来消除磁场（图 7）。


图 7：具有方向电流环的内部布局也能消除不必要的磁场。（图片来源：Analog Devices）

这些 Silent Switcher μModule 代表了降压稳压器的设计和封装的演变，从采用辅助元件的 IC 到采用集成电容的 LQFN IC，再到具有必要电容和电感的 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个阶段。（图片来源：Analog Devices）

产品广泛，可满各种需求并解决各种权衡

Silent Switcher μModule 由许多独立单元组成，其输入电压范围、输出电压轨和输出电流的额定值各不相同。例如，LTM8003 是一款 3.4 V 至 40 V 输入、3.3 V 输出、连续 3.5 A（6 A 峰值）的 μModule，符合 CISPR 25 的第 5 类限值规定，但尺寸仅为 9 × 6.25 mm，高 3.32 mm（图 9）。


图 9：LTM8003 Silent Switcher 是一款微型自足式封装器件，很容易满足 CISPR 25 第 5 类的从 DC 到 1000 MHz 的峰值辐射能量限值规定。（图片来源：Analog Devices）

该器件的引脚布局符合故障模式影响分析 (FMEA) 的要求 (LTM8003-3.3)，这意味着在相邻引脚短路或引脚处于浮动状态时，输出保持稳压电压或低于该电压。典型静态电流仅为 25 μA，H 级版本的额定工作温度为 150℃。

DC2416A 演示板可供设计人员练习稳压器操作并评估其应用性能（图 10）。


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

LTM4657（3.1 V 至 20 V 输入；0.5 V 至 5.5 V @ 8 A 输出）和 LTM4626（3.1 至 20 V 输入；0.6 至 5.5 V @ 12 A 输出）是两款名义上相似的 Silent Switcher μModule 家族成员，显示了这类器件的权衡性质。LTM4657 使用比 LTM4626 更高的电感值，使其能够在较低频率下工作，从而减少开关损耗。

LTM4657 是针对高开关损耗和低传导损耗的较好解决方案，例如在负载电流小和/或输入电压高的应用中。LTM4626 和 LTM4657 在相同开关频率下工作，具有相同的 12 V 输入和 5 V 输出，可以看出 LTM4657 的开关损耗更低（图 11）。此外，值更大的电感器减少了输出电压纹波。然而，LTM4626 能比 LTM4657 提供更多负载电流。


图 11：LTM4626 和 LTM4657 在 1.25MHz 频率下的能效对比，在 DC2989A 演示板上的配置相同，显示出有适度但明显的差异。（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 LTM4626，则可以采用 DC2665A-A 板进行评估（图 13）。


图 12：DC2989A 演示板用于加快对 LTM4657 Silent Switcher 的评估。（图片来源：Analog Devices）


图 13：对于 LTM4626 Silent Switcher 模块，可以采用 DC2665A-A 演示板，以方便练习和评估。（图片来源：Analog Devices）

Silent Switcher μModules 并不限于单输出模块。例如，LTM4628 是一款全面的双路 8 A 输出开关式 DC/DC 稳压器，可以很容易地配置为单路 2 相 16 A 输出（图 1 4）。该模块提供 15 mm × 15 mm × 4.32 mm LGA 和 15 mm × 15 mm × 4.92 mm BGA 封装选择。该器件包括开关控制器、功率 FET、电感器和所有辅助元件。


图 14：LTM4628 可以配置为双输出、每通道 8 A 的开关式 DC/DC 稳压器，也可以配置为单输出、16 A 输出。（图片来源：Analog Devices）

该模块在 4.5 V 至 26.5 V 输入电压范围内工作，支持通过外部电阻器设置的 0.6 V 至 5.5 V 输出。用户可以采用 DC1663A 演示板（图 15）来研究其作为一个单输出或双输出器件的性能。


图 15：通过采用其 DC1663A 演示板，可加速对单/双输出 LTM4628 器件的评估。（图片来源：Analog Devices）

结语

利用现有 IC 设计一个有效的 DC/DC 稳压器是非常容易的。然而，设计一款既具有出色能效、功能齐全，又能满足各种通常混乱且严格的监管机构要求的稳压器却并非易事。Analog Devices 的 Silent Switcher μModule 简化了设计过程。这类器件通过满足发热小和高效运行目标，具有低于允许限值的 EMI 发射和现成的全面性来消除风险。