【導(dǎo)讀】嚴(yán)苛的汽車和工業(yè)環(huán)境中的噪聲敏感型應(yīng)用需要適用于狹小空間的低噪聲、高效率降壓穩(wěn)壓器。通常會(huì)選擇內(nèi)置MOSFET功率開關(guān)的單片式降壓穩(wěn)壓器，與傳統(tǒng)控制器IC和外部MOSFET相比，這種整體解決方案的尺寸相對(duì)較小。可在高頻率（遠(yuǎn)高于AM頻段的2 MHz范圍內(nèi)）下工作的單片式穩(wěn)壓器也有助于減小外部元件的尺寸。此外，如果穩(wěn)壓器的最小導(dǎo)通時(shí)間 (TON)較低，則無需中間穩(wěn)壓，可直接在較高的電壓軌上工作，從而節(jié)約空間并降低復(fù)雜性。減少最小導(dǎo)通時(shí)間需要快速開關(guān)邊沿和最小死區(qū)時(shí)間控制，以有效減少開關(guān)損耗并支持高開關(guān)頻率操作。
另一種節(jié)約空間的方式是減少所需的組件數(shù)，以滿足電磁干擾(EMI)標(biāo)準(zhǔn)和散熱要求。遺憾的是，在很多情況下，簡(jiǎn)單地縮減轉(zhuǎn)換器尺寸難以滿足這些需求。本文介紹的先進(jìn)解決方案可節(jié)約空間，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)低EMI和出色的散熱性能。
選擇開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器是由于其效率高，尤其是在高降壓比下，但需要權(quán)衡開關(guān)操作產(chǎn)生的EMI因素。在降壓轉(zhuǎn)換器中，開關(guān)中的快速電流變化（高di/dt）和熱回路中寄生電感導(dǎo)致的開關(guān)振鈴會(huì)產(chǎn)生EMI。
EMI只是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師在嘗試設(shè)計(jì)緊湊型高性能電源時(shí)必須考慮的參數(shù)之一。許多關(guān)鍵設(shè)計(jì)約束通常相互沖突，需要在設(shè)計(jì)限制和上市時(shí)間方面做出重大妥協(xié)。
提高EMI性能
要減少降壓轉(zhuǎn)換器中的EMI，必須盡量減少熱回路的輻射效應(yīng)，并使源極信號(hào)最小。有多種方式可減少輻射EMI，但其中很多也會(huì)同時(shí)降低穩(wěn)壓器的性能。
例如，在典型的分立式FET降壓穩(wěn)壓器中，通過外部柵極電阻、升壓電阻或緩沖器來降低開關(guān)邊沿的速度，以減少EMI，這也是符合汽車工業(yè)嚴(yán)格的輻射排放標(biāo)準(zhǔn)的最后一種解救方法。這樣快速解決EMI問題均以損失性能為代價(jià)；例如效率降低、組件數(shù)目增多，解決方案尺寸加大。開關(guān)邊沿速度慢則會(huì)增加開關(guān)損耗和占空比損失。轉(zhuǎn)換器必須在較低的頻率下工作（例如，400 kHz）才能獲得令人滿意的效率，并通過強(qiáng)制性電磁輻射EMI測(cè)試。圖1顯示了分別具有快開關(guān)邊沿和慢開關(guān)邊沿的典型開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形。如圖所示，開關(guān)邊沿速度明顯變慢，導(dǎo)致開關(guān)損耗增加，最小占空比或降壓比顯著增加，更不用說對(duì)性能產(chǎn)生的其他負(fù)面影響。
降低開關(guān)頻率也會(huì)增加轉(zhuǎn)換器電感、輸出電容和輸入電容的物理尺寸。同時(shí)，需要使用一個(gè)大尺寸π濾波器以通過傳導(dǎo)輻射測(cè)試。隨著開關(guān)頻率降低，濾波器中的電感L和電容C需相應(yīng)增大。在低壓線路滿載條件下，電感電流額定值應(yīng)大于最大輸入電流。因此，前端需要使用一個(gè)大尺寸電感和多個(gè)電容以符合嚴(yán)格的EMI標(biāo)準(zhǔn)。
例如，在400 kHz（而不是2 MHz）開關(guān)頻率下，除了增加電感和電容的尺寸外，EMI濾波器中的電感和電容也必須相對(duì)較大，才能達(dá)到汽車應(yīng)用中的傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)要求。其中一個(gè)原因是它們不僅必須衰減400 kHz的開關(guān)基頻，還必須衰減高達(dá)1.8 MHz的所有諧波。工作頻率為2 MHz的穩(wěn)壓器就沒有這個(gè)問題。圖2為2 MHz解決方案和400 kHz解決方案的尺寸對(duì)比。
屏蔽可能是減少電磁輻射的最后一種補(bǔ)救方式，但屏蔽需要占用空間，而應(yīng)用可能無法提供，并且需要進(jìn)行額外的機(jī)械設(shè)計(jì)和測(cè)試迭代。
為避開AM頻率帶寬并保持較小的解決方案尺寸，汽車應(yīng)用首選2 MHz或更高的開關(guān)頻率。避免AM頻段后，就只有確保將高頻噪聲（也稱為諧波）和開關(guān)振鈴降至最低的問題。遺憾的是，高頻開關(guān)通常 會(huì)導(dǎo)致電磁輻射從30 MHz增加到1 GHz。
有些開關(guān)穩(wěn)壓器具有快速干凈的開關(guān)邊沿，可減少EMI，如ADI Power by Linear™系列中的Silent Switcher®器件。我們先來看看其他一些有用的功能。
圖1.慢開關(guān)邊沿意味著除了占空比損耗之外，還存在大量開關(guān)損耗。
圖2.2 MHz解決方案與400 kHz解決方案尺寸對(duì)比。
展頻(SSFM)是一項(xiàng)在已知范圍內(nèi)使系統(tǒng)時(shí)鐘抖動(dòng)的技術(shù)，由此將EMI能量分布在頻域上。雖然普通開關(guān)電源所選的開關(guān)頻率通常會(huì)在AM頻段之外（530 kHz至1.8 MHz），但在AM頻段內(nèi)，未經(jīng)調(diào)制的開關(guān)諧波仍可能不符合嚴(yán)格的汽車EMI要求。添加SSFM功能可明顯減少AM頻段內(nèi)及其他區(qū)域中的EMI。
圖3.展頻模式下的超低EMI LT8636 5 V/5 A降壓轉(zhuǎn)換器，峰值電流為7 A，工作電壓5.7 V至42 V。
圖3顯示了一個(gè)超低EMI且高效率的12 V至5 V/5 A轉(zhuǎn)換器，其使用LT8636Silent Switcher單片式降壓穩(wěn)壓器在2 MHz開關(guān)頻率下工作。圖4顯示了測(cè)試演示電路在14 V輸入和5 V、5 A輸出時(shí)的傳導(dǎo)和輻射EMI性能。在前端，小電感和陶瓷電容有助于濾除傳導(dǎo)噪聲，而鐵氧體磁珠和陶瓷電容有助于減少輻射噪聲。兩個(gè)小陶瓷電容放在輸入和接地引腳上，將熱回路面積減至最小，同時(shí)分離熱回路，幫助消除高頻噪聲。
為改進(jìn)EMI性能，電路設(shè)置為在展頻模式下工作：SYNC/MODE = INTVCC。使用三角頻率調(diào)制來調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，調(diào)節(jié)范圍為RT設(shè)置的值到比該值約高20%，即LT8636設(shè)為2 MHz時(shí)，在3 kHz速率下，頻率將在2 MHz至2.4 MHz之間變化。
從傳導(dǎo)EMI頻譜可以明顯看出，峰值諧波能量被分散開來，從而降低了任何特定頻率的峰值幅度—由于擴(kuò)頻功能，噪聲至少減少了20 dBμV/m。從輻射EMI頻譜也可以明顯看出，展頻模式也可以減少輻射EMI。該電路符合嚴(yán)苛的汽車級(jí)CISPR 25 Class 5輻射EMI要求，僅需在輸入側(cè)使用簡(jiǎn)單的EMI濾波器。
圖4.具有和沒有展頻模式的CISPR 25電磁輻射EMI。
整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的高效率
汽車應(yīng)用中的電子器件數(shù)量只增不減，大多數(shù)器件的每次設(shè)計(jì)迭代都需要更多的電源電流。有源負(fù)載電流如此高，重載效率和適當(dāng)?shù)臒峁芾砭统蔀槭滓紤]因素，可靠的運(yùn)行取決于散熱管理，不受控制產(chǎn)生熱量可能會(huì)導(dǎo)致代價(jià)高昂的設(shè)計(jì)問題。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也關(guān)注輕載效率，由于電池使用壽命主要取決于輕載或空載時(shí)的靜態(tài)電流，因此輕載效率和重載效率一樣重要。必須在硅芯片和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)中權(quán)衡滿載效率、空載靜態(tài)電流和輕載效率。
為了在滿載時(shí)達(dá)到高效率，應(yīng)最小化FET（特別是底部FET）的RDS(ON)，這看起來很簡(jiǎn)單。但是，具有低RDS(ON) 的晶體管的電容通常相對(duì)較高，開關(guān)和柵極驅(qū)動(dòng)損耗隨之增加，也會(huì)增加裸片尺寸和成本。相反，LT8636單片式穩(wěn)壓器具有很低的MOSFET傳導(dǎo)電阻，在滿載條件下的效率很高。LT8636在靜止空氣中的最大輸出電流為5 A連續(xù)電流和7 A峰值電流，沒有任何額外的散熱器，從而簡(jiǎn)化了可靠的設(shè)計(jì)。
為了提高輕載效率，在低紋波Burst Mode®（突發(fā)工作模式）下工作的穩(wěn)壓器將輸入電容充電至所需的輸出電壓，同時(shí)最小化輸入靜態(tài)電流和輸出電壓紋波。在突發(fā)工作模式下，電流以短脈沖的形式傳遞到輸出電容，然后進(jìn)入相對(duì)較長(zhǎng)的休眠期，在此期間，大多數(shù)控制（邏輯）電路關(guān)閉。
為了提高輕載效率，可選用更大值的電感，因?yàn)樵诙堂}沖期間可向輸出傳遞更多能量，降壓穩(wěn)壓器也可在每個(gè)脈沖之間的休眠模式下保持更長(zhǎng)時(shí)間。通過盡可能延長(zhǎng)脈沖之間的時(shí)間，盡量減少每個(gè)短脈沖的開關(guān)損耗，單片式降壓轉(zhuǎn)換器靜態(tài)電流可在單片式穩(wěn)壓器（如LT8636）中達(dá)到2.5 μA。而市場(chǎng)上的典型部件為幾十甚至幾百μA。
圖5顯示使用LT8636的汽車應(yīng)用由12 V輸入提供3.8 V/5 A輸出的高效率解決方案。電路在400 kHz下運(yùn)行可達(dá)到高效率，并使用XAL7050-103 10 μH電感。在低至4 mA和高至5 A的負(fù)載下，可保持90%以上的效率。峰值效率在1 A時(shí)為96%。
圖5.采用XAL7050-103電感的12 V至3.8 V/5 A解決方案的效率(fSW = 400 kHz)。
圖6顯示該解決方案1 μA至5 A時(shí)的效率。內(nèi)部穩(wěn)壓器由5 V輸出通過BIAS引腳供電，以盡可能降低功耗。峰值效率達(dá)到95%；由13.5 V輸入提供5 V輸出的滿載效率為92%。對(duì)于5 V應(yīng)用低至30 mA的負(fù)載，輕載效率保持在89%或以上。轉(zhuǎn)換器在2 MHz下運(yùn)行，測(cè)試用電感為XEL6060-222，以優(yōu)化相對(duì)緊湊型解決方案中的重載和輕載效率。使用更大的電感，可將輕載效率進(jìn)一步提高到90%以上。 反饋電阻分壓器中的電流以負(fù)載電流形式出現(xiàn)在輸出端時(shí)降至最低。.
圖6.使用XEL6060-222電感和LT8636的13.5 V至5 V和3.3 V解決方案的效率(fSW= 2 MHz)。
圖7顯示該解決方案在4 A恒定負(fù)載和4 A脈沖負(fù)載（共8 A脈沖負(fù)載）以及10%占空比(2.5 ms)下的熱性能 — 靜止空氣環(huán)境室溫下，13.5 V輸入。即使在40 W脈沖功率和2 MHz開關(guān)頻率下，LT8636外殼溫度都保持低于40°C，使得電路在沒有風(fēng)扇或散熱器的情況下也能短時(shí)間內(nèi)以高達(dá)8 A電流安全運(yùn)行。由于采用增強(qiáng)散熱型封裝技術(shù)，并且LT8636在高頻率下具有高效率，因此采用3 mm × 4 mm LQFN封裝可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
圖7.3 mm × 4 mm LT8636在13.5 V至5 V/4 A恒定負(fù)載加4 A脈沖負(fù)載（10%占空比）下的熱圖顯示溫度上升。
通過高頻操作縮小解決方案尺寸
汽車應(yīng)用中的空間越來越寶貴，因此必須縮小電源尺寸以便置入電路板中。提高電源開關(guān)頻率可使用電容和電感等較小的外部組件。此外，如前所述，在汽車應(yīng)用中，高于2 MHz（或低于400 kHz）的開關(guān)頻率可將基頻保持在AM無線電頻段之外。我們來比較一下常用的400 kHz設(shè)計(jì)和2 MHz設(shè)計(jì)。在這種情況下，增加五倍開關(guān)頻率達(dá)到2 MHz會(huì)將所需電感和輸出電容減少到400 kHz設(shè)計(jì)的五分之一。似乎很容易。然而，由于使用高頻解決方案本身就需要進(jìn)行一些權(quán)衡考量，因此即使支持高頻的IC也可能無法在許多應(yīng)用中使用。
例如，在高降壓比應(yīng)用中的高頻操作需要較低的最小導(dǎo)通時(shí)間。根據(jù)方程VOUT = TON × fSW × VIN，在2 MHz操作頻率下，需要約50 ns的最小開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間(TON)才能通過24 V輸入電壓產(chǎn)生3.3 V輸出電壓。如果電源IC無法實(shí)現(xiàn)此低導(dǎo)通時(shí)間，則必須跳過脈沖以保持低穩(wěn)壓輸出 — 實(shí)質(zhì)上無法達(dá)到高開關(guān)頻率的目的。換言之，等效開關(guān)頻率（由于脈沖跳躍）可能在AM頻段。由于最小開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間為30 ns，LT8636允許在2 MHz下直接從高VIN轉(zhuǎn)換為低VIN to low VOUT 。與之相比，許多器件限制為最小>75 ns，這就需要它們?cè)诘皖l率(400 kHz)下操作，從而實(shí)現(xiàn)更高的降壓比以避免跳躍脈沖。
高開關(guān)頻率的另一個(gè)常見問題是開關(guān)損耗趨于增加。與開關(guān)相關(guān)的損耗包括開關(guān)導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗和柵極驅(qū)動(dòng)損耗 — 都與開關(guān)頻率近似線性相關(guān)。縮短開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間可改善這些損耗特性。LT8636開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間很短，不到5 V/ns，可實(shí)現(xiàn)最小死區(qū)時(shí)間和最小二極管時(shí)間，從而降低了高頻下的開關(guān)損耗。.
本解決方案中使用的LT8636采用3 mm × 4 mm QFN封裝以及具有集成電源開關(guān)的單片式結(jié)構(gòu)，同時(shí)提供所有必需的電路功能，共同構(gòu)成PCB占用空間最小的解決方案。IC下方的大面積裸露接地焊盤通過極低的熱阻(26°C/W)路徑將熱量引導(dǎo)到PCB，從而減少了額外的熱管理需求。此封裝采用FMEA兼容設(shè)計(jì)。Silent Switcher技術(shù)減少了熱回路的PCB面積，因此使用簡(jiǎn)單的濾波器即可輕松解決這種高開關(guān)頻率下的輻射EMI問題，如圖3所示。
結(jié)論
只要精心選擇IC，無需反復(fù)權(quán)衡考量，就可以生產(chǎn)出適合汽車應(yīng)用的緊湊型高性能電源。就是說，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率、高開關(guān)頻率和低EMI。為了舉證說明可實(shí)現(xiàn)的緊湊型設(shè)計(jì)，本文中的解決方案選擇使用LT8636，這是一款采用3 mm × 4 mm LQFN封裝的42 V、5 A連續(xù)/7 A峰值單片式降壓Silent Switcher穩(wěn)壓器。在此IC中，VIN引腳分離并對(duì)稱放置在IC上，從而分離了高頻熱回路，使磁場(chǎng)相互抵消，以抑制電磁輻射EMI。此外，同步設(shè)計(jì)和快速開關(guān)邊沿可提高重載效率，而低紋波突發(fā)工作模式對(duì)輕載效率有利。
LT8636的3.4 V到42 V輸入范圍和低壓差也適用于汽車應(yīng)用，使其能夠在汽車啟動(dòng)或負(fù)載突降情況下工作。在汽車應(yīng)用中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在嘗試縮小電源解決方案尺寸時(shí)往往會(huì)面對(duì)很多權(quán)衡考量，但采用本文中的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員無需權(quán)衡即可實(shí)現(xiàn)所有性能目標(biāo)。
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