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對于汽車、通信以及測試與測量設(shè)備等廣大系統(tǒng)制造商來說，技術(shù)的發(fā)展帶來了終端功能與性能的大幅提升，其根源在于系統(tǒng)中配備的功能愈加豐富的電子模塊。然而功能越豐富，電路就越復(fù)雜，不論是新款汽車中裝載的中控集成式多媒體系統(tǒng)、高性能音響系統(tǒng)，還是體積越來越小的5G通信設(shè)備（手機及基站），抑或是要求精度越來越高的儀器儀表，對于高精度數(shù)字和模擬IC的要求都愈發(fā)嚴(yán)苛，特別是在供電需求方面。

 

作為任何電子系統(tǒng)設(shè)計不可或缺的部分，電源性能的高低對于系統(tǒng)性能的高低有著至關(guān)重要的影響。而電磁干擾(EMI)特性則是其中最關(guān)鍵的性能之一。這種干擾通過電磁感應(yīng)、靜電耦合或傳導(dǎo)來影響電路，對于電源性能的任何要求（功率密度增加、開關(guān)頻率更高以及電流更大）都會擴(kuò)大EMI的影響。因此，如果在設(shè)計初期不加以考慮，將會嚴(yán)重影響產(chǎn)品的性能及上市時間。針對此種現(xiàn)狀，ADI推出了專為低EMI場景設(shè)計的Silent Switcher系列架構(gòu)穩(wěn)壓器解決方案。

 

Silent Switcher架構(gòu)這樣消除EMI干擾

 

最常用的EMI管制標(biāo)準(zhǔn)是CISPR 25 Class 5，它詳細(xì)說明了150 kHz至1 GHz頻率下的可接受限值。要在達(dá)到該要求，通常會涉及復(fù)雜的設(shè)計和測試程序，包括在解決方案的尺寸、總效率、可靠性和復(fù)雜性等眾多方面進(jìn)行權(quán)衡。傳統(tǒng)方法通過減慢開關(guān)邊沿或降低開關(guān)頻率來控制EMI，由此帶來的弊端是效率降低，最小開關(guān)時間增加，解決方案尺寸增大。替代緩解方案包含龐大復(fù)雜的EMI濾波器、緩沖器或金屬屏蔽，這會顯著增加電路板空間、元件和裝配方面的成本，并使熱管理和測試復(fù)雜化。

 

Silent Switcher降壓型穩(wěn)壓器設(shè)計在高開關(guān)頻率(>2 MHz)下提供高效率、超低電磁干擾輻射，從而可實現(xiàn)非常緊湊且低噪聲的降壓解決方案。該系列采用了特殊的設(shè)計和封裝技術(shù)：在設(shè)計上，通過將熱回路分成極性相反的兩個回路，形成可以相互抵消的局部磁場；在封裝上，通過倒裝硅芯片并添加銅柱來縮短內(nèi)部FET到封裝引腳和輸入電容的距離，以縮小熱回路的范圍。利用上述技術(shù)，Silent Switcher在2 MHz下能夠?qū)崿F(xiàn)>92%的效率，同時可以輕松符合CISPR 25 5類峰值EMI限制。

新一代的Silent Switcher 2技術(shù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用銅柱代替鍵合線，增加了內(nèi)部旁路電容，以及集成式襯底接地平面以進(jìn)一步提高EMI，使其對PCB布局不敏感，從而可簡化設(shè)計并降低性能風(fēng)險。

 

 

典型的Silent Switcher應(yīng)用原理圖及其在PCB上的外觀

 

采用Silent Switcher架構(gòu)的幾大典型應(yīng)用場景

 

Ø  應(yīng)對車載高電流應(yīng)用

 

汽車應(yīng)用要求系統(tǒng)不產(chǎn)生可能干擾其他汽車系統(tǒng)正常運行的電磁噪聲。例如，開關(guān)電源是高效率電源轉(zhuǎn)換器，但會產(chǎn)生不受歡迎的可能影響其他系統(tǒng)的高頻信號。開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲發(fā)生在開關(guān)頻率及其諧波處。受此類噪聲影響的傳感器和其他儀器可能會運行不正常，引起可聞噪聲或嚴(yán)重的系統(tǒng)故障。

 

下圖展示了一種低 IQ（靜態(tài)電流）、低噪聲解決方案，支持汽車I/O和外設(shè)的高電流應(yīng)用。前端的LT8672保護(hù)電路免受電池反向故障和高頻交流紋波的影響，正向壓降只有幾十mV。LT8650S的開關(guān)頻率為 400 kHz，輸入范圍為3 V至40 V，兩個通道并聯(lián)工作時輸出能力為8 A。兩個去耦電容靠近LT8650S的輸入引腳放置。由于采用 Silent Switcher 2技術(shù)，即使沒有安裝EMI濾波器，高頻EMI性能也十分出色。該系統(tǒng)符合CISPR 25 Class 5峰值和均值的限值要求，而且裕量很大。

 

LT8672 和 LT8650S 配置用于高輸出電

 

下圖顯示了在30 MHz至1 GHz范圍內(nèi)的垂直極化的輻射EMI均值測試結(jié)果。完整解決方案具有原理圖簡單、總元件數(shù)非常少、尺寸緊湊等特點，而且EMI性能不受電路板布局變化的影響。

 

LT8672 和 LT8650S EMI 性能： 30 MHz 至 1 GHz

 

Ø  應(yīng)對寬調(diào)光比LED照明應(yīng)用

 

LED 照明的許多應(yīng)用都需要寬調(diào)光比。以汽車為例，汽車平視顯示器、信息娛樂系統(tǒng)和儀表盤照明中使用的 LED 背光燈必須具備足夠的亮度，以便與在白天不斷涌入車內(nèi)的直射陽光相抗衡，而且還能把亮度降低幾個數(shù)量級，以避免在夜間使駕駛者出現(xiàn)瞬間致盲。這種極端 LED 調(diào)光要求在不增加昂貴降噪組件和復(fù)雜性的情況下會難以符合 CISPR EMI 標(biāo)準(zhǔn)。

 

LT3932 通過納入許多旨在最大限度降低 EMI 的內(nèi)置功能，使得可同時實現(xiàn)高調(diào)光比和低 EMI：

 

·       借助其用于低 EMI 熱環(huán)路的 Silent Switcher® 架構(gòu)最大限度降低 EMI。

·       內(nèi)置的擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制 (SSFM) 功能電路有助降低傳導(dǎo)和輻射 EMI。

·       LT3932 的轉(zhuǎn)換速率是受控的，以在保持低噪聲性能的同時優(yōu)化效率。
 

 

2MHz 汽車 LED 驅(qū)動器具有低 EMI 和在內(nèi)部產(chǎn)生的 PWM 調(diào)光以及整個輸入范圍內(nèi)的 90% 峰值效率 (未采用 EMI 濾波器時效率為 ~91%)

 

集成了 36V、2A 開關(guān)的 LT3932 同步降壓型 LED 驅(qū)動器將其高效率集成化電源開關(guān)內(nèi)置在一個小外形 4mm x 5mm QFN 封裝中，并能以高達(dá) 2MHz 開關(guān)頻率運行，適用于緊湊的高帶寬設(shè)計。憑借用于處理開路和短路 LED 的內(nèi)置故障保護(hù)功能，以及旨在幫助降低 EMI 的擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制，LT3932 可滿足汽車和工業(yè) LED 照明應(yīng)用的苛刻要求。

 

LT3932 電路通過了 CISPR 25 Class 5 輻射平均 EMI 測試

 

Ø  應(yīng)對高精度測試測量應(yīng)用

 

為了確保高精度，精密測試和測量系統(tǒng)需要具有低紋波和輻射噪聲的電源解決方案，從而不會降低高分辨率轉(zhuǎn)換器信號鏈的性能。在這些測試和測量應(yīng)用中，生成雙極和/或隔離系統(tǒng)電源給系統(tǒng)設(shè)計人員帶來了電路板面積、開關(guān)紋波、EMI和效率方面的挑戰(zhàn)。

 

許多精密測試和測量儀器（如源表或電源）需要進(jìn)行多象限操作，以獲取并測量正負(fù)信號。這就需要從單個具有低噪聲的正電源輸入有效地生成正負(fù)電源。使用Silent Switcher、μModule穩(wěn)壓器 LTM8074 提高降至更低電壓的高效率解決方案如下圖所示。

 

在低EMI的情況下將電壓降至更低電壓軌的電源解決方案

 

LTM8074是采用小型4 mm × 4 mm尺寸BGA封裝的Silent Switcher、µModule降壓穩(wěn)壓器，能夠以低輻射噪聲提供高達(dá)1.2 A電流。此µModule器件效率高且具有極低的輻射噪聲，因此是為噪聲敏感精密信號鏈供電的絕佳選擇。根據(jù)連接到放大器、DAC或ADC等由電源供電元件的PSRR，也許可以從Silent Switcher輸出端直接為其供電，無需LDO穩(wěn)壓器進(jìn)一步過濾電源紋波，而傳統(tǒng)開關(guān)需要這樣做。1.2A的高輸出電流也意味著在需要的情況下，它可用于為FPGA等系統(tǒng)中的數(shù)字硬件供電。LTM8074的小尺寸和高集成度使其非常適合空間受限應(yīng)用，同時簡化并加速開關(guān)穩(wěn)壓器電源的設(shè)計和布局。

 

總結(jié)

 

電子系統(tǒng)當(dāng)前和未來都在不斷發(fā)展普及，可以預(yù)見，對低 EMI的要求注定會越來越嚴(yán)苛。基于此，ADI將會不斷地發(fā)展Silent Switcher架構(gòu)，不斷地提供越來越多的解決方案，以幫助系統(tǒng)設(shè)計人員更加從容應(yīng)對現(xiàn)在、以及將來的各種挑戰(zhàn)。