【導讀】在全球范圍內，多層陶瓷電容(MLCC)供不應求。很大部分原因是因為手機的電子復雜性提高、電動汽車的銷售量增加，以及全球各行各業(yè)電子內容的擴展。相比幾年前，一些智能手機的MLCC用量翻了一番；相比使用典型的現代內燃機的汽車，電動汽車的MLCC用量增加至少4倍（圖1）。MLCC從2016年底開始缺貨，這使得生產大電容值產品（幾十µF或更高）變得尤其困難，而最新電子器件采用的高能電源需要這種電容才能運行。制造工廠想要降低MLCC要求不可避免地想要從電源的電容要求著手，尤其是開關穩(wěn)壓器的電容。因此，電源設計人員成為解決電容短缺問題的關鍵。
圖1.全球范圍內電動汽車(a)和手機(b)對MLCC的用量增加，但生產量沒有相應增加，導致MLCC缺貨。1
電源電路使用電容——大量電容
典型的直流-直流降壓變換器使用下列電容（參見圖2）：
● 輸出電容：在負載瞬態(tài)響應期間，平緩輸出電壓波紋和電源負載電流。一般使用幾十μF到100 μF的大電容。
● 輸入電容：除了穩(wěn)定輸入電壓之外，它還被用于輸入電流的即時供應。一般在幾μF到幾十μF之間。
● 旁路電容：吸收開關操作產生的噪聲和來自其他電路的噪聲。一般在0.01 μF到0.1 μF之間。
● 補償電容：保證反饋回路中的相位裕量并防止振蕩。通常為幾百pF或幾十nF。有些開關穩(wěn)壓器IC中采用了補償電容。
降低電容的最好方法是想辦法最小化輸出電容的數量。本文接下來將介紹減少輸入電容的策略方法，然后介紹降低旁路電容要求，以及，在一定程度上，減少輸入電容的解決方案。
圖2.典型降壓穩(wěn)壓器使用的電容。
增加開關頻率，以降低輸出電容
圖3a顯示的是典型的電流模式降壓變換器的框圖，下部電路區(qū)域表示反饋回路和補償電路。
反饋回路的特性如圖3b所示。回路增益為0 dB（增益=1）時的頻率被稱為交越頻率(fC)。交越頻率越高，穩(wěn)壓器的負載階躍響應性能越出色。例如，圖4顯示的是支持負載電流從1A快速增加到5A的穩(wěn)壓器的負載階躍響應。所示結果對應的交越頻率為20 kHz和50 kHz，分別導致60 mV和32 mV壓降。
圖3.典型降壓穩(wěn)壓器(a)的框圖和典型的反饋特性(b)。
圖4.比較采用兩種交越頻率時，降壓穩(wěn)壓器的負載階躍響應。
從表面上看，提高交越頻率似乎是個簡單方法：可以通過最小化輸出壓降來改善負載階躍響應，從而減少輸出電容數量。但是，提高交越頻率會導致兩個問題。第一，需要保證反饋回路具備足夠的相位裕量，以防止振蕩。一般來說，采用該交越頻率時，需要45°或更高（最好是60°或以上）的相位裕量。
第二，需要注意開關頻率(fSW)和fc之間的關系。如果它們的幅度相當，負反饋會響應輸出電壓波紋，從而影響到穩(wěn)定運行。作為一項指導，可以將交越頻率設置為開關頻率的1/5（或更低），如圖5所示。
圖5.如果開關頻率和控制回路交越頻率太過接近，負反饋可能響應輸出電壓波紋。最好是讓交越頻率低于開關頻率1/5。
要增加交越頻率，需要同時增加開關頻率，但是，這會導致頂部和底部FET的開關損耗增加，會降低轉換效率和產生更多熱量。在電容上實現的節(jié)省會因為增加散熱元件帶來的復雜性抵消：比如鰭狀散熱器、風扇或額外的板空間。
是否能夠在高頻率下保持高效率？答案是肯定的。使用ADI公司提供的Power by Linear™穩(wěn)壓器IC就可以達到這種效果，這些穩(wěn)壓器IC采用獨特的FET控制功能，在更高開關頻率下也能保持高效率（圖6）。
例如，LT8640S 6 A輸出降壓穩(wěn)壓器在操作頻率為2 MHz時（12V輸入和5V輸出），在整個負載范圍內（0.5 A至6 A）能保持高于90%的效率。
這個穩(wěn)壓器也可以通過減少電流波紋(ΔIL)來降低電容要求，從而降低輸出波紋電壓(ΔVOUT)，如圖7所示?；蛘?，使用更小的電感。
開關頻率更高時，可以增加交越頻率，以改善負載階躍響應和負載調整，如圖8所示。
圖6.Power by Linear穩(wěn)壓器與競爭產品。對于典型的穩(wěn)壓器，開關頻率增高時，效率會下降。ADI的Power by Linear穩(wěn)壓器可以在非常高的操作頻率下保持高效率，因而支持使用值更小的輸出電容。
圖7.通過增加開關頻率來減小電容和電感的尺寸。
圖8.增加開關頻率可以改善負載階躍響應。
Silent Switcher穩(wěn)壓器可以大幅降低旁路電容
如果減少旁路電容的數量，會如何？旁路電容主要被用于吸收開關操作產生的噪聲。如果能從其他方面降低開關噪聲，就可以減少旁路電容的數量。有一個特別簡單的方法可以實現這種效果，即使用Silent Switcher®穩(wěn)壓器。
Silent Switcher穩(wěn)壓器如何降低開關噪聲？開關穩(wěn)壓器具有兩個電流回路：頂部FET開啟，底部FET關閉（紅色回路）；頂部FET關閉，底部FET開啟（藍色回路），如圖9所示。熱回路傳輸完全開關的交流電流，也就是說，從0切換到IPEAK，然后回到0。它具備最高的交流和EMI能源，會產生最強變化的磁場。
圖9.開關穩(wěn)壓器中的熱回路會因為本身產生的交變磁場而導致大量輻射噪聲。
可以使用壓擺率控制來降低柵級信號變化的頻率（降低di/dt），以便抑制開關噪聲。這種方法雖然能夠抑制噪聲，但會增加開關損耗，導致產生更多熱量，在之前所述的高開關頻率下尤其如此。壓擺率控制在某些條件下是有效的，ADI公司也提供包含這種控制的解決方案。
Silent Switcher穩(wěn)壓器可以抑制熱回路中產生的電磁噪聲，但不是使用壓擺率控制。而是將VIN引腳一分為二，令熱回路可以分成兩個對稱的熱回路。產生的磁場被限制在靠近IC的區(qū)域，其他位置大幅降低，從而最大限度地降低輻射開關噪聲（圖10）。
圖10.獲得專利的Silent Switcher技術。
LT8640S是Silent Switcher技術的第二代，即Silent Switcher 2（圖11），IC內部集成高頻輸入電容。這可以確保最大限度地抑制噪聲，因此也無需如以前一樣非常小心地在布局中確定輸入電容的位置。毫無疑問，這也會降低對MLCC的要求。另一項功能——展頻，會通過動態(tài)改變開關頻率來降低噪聲峰值。LT8640S兼具這些功能，因此能夠輕松滿足CISPR 25 5級EMC汽車標準（圖12）。
圖11.ADI公司提供的Silent Switcher 2技術在IC中集成輸入電容，由此簡化布局和提升噪聲抑制性能。
圖12.在Silent Switcher 2器件（例如LT8640S）中采用這些降噪功能使得產品能夠輕松滿足CISPR 25 5級峰值限值標準，甚至降低輸入和旁路電容。
結論
ADI公司提供的Power by Linear器件有助于降低MLCC要求，從而幫助設計人員解決MLCC短缺問題。可以通過使用高頻率操作來降低輸出電容要求，同時保持出色的高效率。采用Silent Switcher架構的器件可以大幅抑制EMI噪聲，從而降低旁路電容要求。Silent Switcher 2器件進一步降低了對MLCC的需求。
參考資料
1 Robin Blackwell。“投資演示，2018年2月。”KEMET，2018年2月。
LT8640S數據手冊。ADI公司，2017年6月。
Seago, John。“OPTI-LOOP架構降低了輸出電容，改善了瞬態(tài)響應。”ADI公司，2007年8月。
Zhang, Henry J. “開關模式電源的模型和回路補償設計。”ADI公司，2016年2月。
作者簡介
Atsuhiko Furukawa于2006年加入凌力爾特（現在已成為ADI公司的一部分）。10多年以來，他一直為中小型客戶提供多種應用技術支持。2017年，他被調到汽車部門，現在主要負責設計大型（幾kW）和小型安全汽車應用。Atsuhiko是一名馬拉松長跑健將，取得的最好成績是3小時3分鐘。聯系方式：atsuhiko.furukawa@analog.com。
推薦閱讀：
