【導讀】對于要實(shí)現電池供電或分布式電源系統的設計人員來(lái)說(shuō)，使用低壓降 (LDO)穩壓器還是開(kāi)關(guān)穩壓器往往是個(gè)問(wèn)題。開(kāi)關(guān)穩壓器的效率相對更高，可謂是一項優(yōu)勢，尤其是對于電池供電產(chǎn)品。然而，電源中快速開(kāi)關(guān)晶體管產(chǎn)生的EMI才是關(guān)鍵權衡要素——在高度集成的緊湊型設計中，EMI可能會(huì )衍生成更嚴重的問(wèn)題。
輸入和輸出濾波電路可減輕EMI的影響，但會(huì )增大電路尺寸、增加成本和復雜性。新一代的集成式模塊化開(kāi)關(guān)穩壓器解決了這些問(wèn)題，這些開(kāi)關(guān)穩壓器可提供各種內置技術(shù)來(lái)抑制EMI，同時(shí)不影響穩壓器的性能或效率。
本文簡(jiǎn)要說(shuō)明了開(kāi)關(guān)穩壓器在便攜式設計中占據的優(yōu)勢以及濾波電路的重要性。此外，還以 Allegro Microsystems 、Analog Devices 和Maxim Integrated的產(chǎn)品為例，介紹了內置EMI濾波器的開(kāi)關(guān)穩壓器以及用其簡(jiǎn)化功率傳輸的方法。
為什么要在便攜式設計中使用開(kāi)關(guān)穩壓器?
效率高、功耗低（降低熱管理難度）、功率密度大是選擇開(kāi)關(guān)穩壓器而非LDO的主要原因。在大部分負載范圍內，商用開(kāi)關(guān)穩壓器模塊的效率（即輸出功率/輸入功率 x 100）通常約為90%至95%，遠高于同等的LDO。此外，開(kāi)關(guān)穩壓器既能升壓、降壓，也可提供反相電壓，因此在靈活性上也勝過(guò)LDO。
開(kāi)關(guān)穩壓器的核心是脈沖寬度調制 (PWM) 開(kāi)關(guān)元件，包含一兩個(gè)金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)，以及與之配對的一兩個(gè)電感器用于能量存儲。開(kāi)關(guān)穩壓器的工作頻率決定了單位時(shí)間內的開(kāi)關(guān)循環(huán)次數，而PWM信號的占空比 (D) 決定了輸出電壓（根據 VOUT= D × VIN）。
在便攜式設計中，開(kāi)關(guān)穩壓器的高效率雖是一項優(yōu)勢，卻也存在不少待權衡要素，包括成本、復雜性、尺寸、負載瞬變響應慢以及低負載下的低效率（盡管正在逐步改進(jìn)）。另一項主要設計挑戰是應對功率晶體管開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的EMI。其開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì )引起電路其他部分的電壓和電流過(guò)沖，從而導致輸入輸出電壓和電流紋波，并在開(kāi)關(guān)頻率處（及其倍數）產(chǎn)生瞬態(tài)能量尖峰。電壓紋波在PWM“開(kāi)啟”周期結束時(shí)達到峰值（圖1）。
圖1：開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出電壓紋波波形圖顯示了瞬態(tài)尖峰是EMI的主要來(lái)源。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
EMI管理策略
如需降低因穩壓器功率FET開(kāi)關(guān)引起的EMI，在輸入和輸出端添加電阻電容(R-C) 吸收電路是一種行之有效的方法。該電路有助于濾除能量尖峰，減小電壓和電流紋波，從而降低 EMI。在好的設計中，輸出電壓為2至5V的開(kāi)關(guān)電源最好能將電壓紋波峰峰值降至10至50mV，并使瞬態(tài)尖峰最小化。
濾波電路元件的選型是一項棘手的工作，尤其是輸入和輸出端的大容量電容器，因為需要在元器件尺寸、成本（以及對穩壓器瞬態(tài)響應和回路補償的影響）與電壓峰峰值、電流紋波和EMI抑制之間進(jìn)行權衡。
借助基于關(guān)鍵公式的一些成熟技術(shù)是不錯的切入點(diǎn)。輸入電壓紋波包括ΔVQ（由輸入電容器放電產(chǎn)生）和ΔVESR（由輸入電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 產(chǎn)生）。如果已指定輸入端的電壓紋波最大峰峰值，分別通過(guò)公式1和公式2即可估算大容量電容器的所需輸入電容 (CIN)和ESR：
同樣，如果已指定輸出端的電壓紋波最大峰峰值，則分別通過(guò)公式3和公式4即可確定大容量電容器的電容和ESR：
請務(wù)必注意，ΔVESR和ΔVQ不可直接相加，因為兩者彼此相位相異。如果設計人員選擇陶瓷電容器（ESR通常較低），則主要是ΔVQ；若選擇電解電容器，則主要是ΔVESR。
快速負載瞬變期間輸出電壓與期望輸出的可接受偏差也會(huì )影響輸出電容容量和ESR阻值的選擇。具體而言，在開(kāi)關(guān)穩壓器控制器增大PWM占空比來(lái)響應負載瞬變前，輸出電容器必須能夠在瞬變期間支持負載電流。如需計算負載階躍期間最小輸出偏差所需的輸出電容和ESR，可分別使用公式5和公式6：
這些計算雖有助于簡(jiǎn)化相應元件的選擇以管理電壓和電流紋波及瞬態(tài)尖峰，但設計人員仍必須考慮電容器的耗散功率 (PCAP)。計算公式如下：
該公式表明在給定ESR的情況下，內部溫升與紋波電流的平方成正比。在用于減小較大的紋波電流時(shí)，可能會(huì )造成電容器明顯發(fā)熱，如果散熱不及時(shí)，則電容器的電解液將逐漸蒸發(fā)，使其性能下降直至完全失效。為了避免出現這種情況，工程師必須選擇表面積較大、價(jià)格更昂貴的器件以促進(jìn)散熱。
使用低EMI穩壓器
盡管輸入和輸出濾波可減小電壓和電流紋波，但是選擇一款既符合規格，又能實(shí)現最小紋波高度峰峰值的開(kāi)關(guān)穩壓器才是好的設計習慣。藉此減少濾波電容器因功率耗散而產(chǎn)生的應力，從而使用更為小巧、便宜的器件。
實(shí)現最小電壓和電流紋波的一種技術(shù)是采用電壓模式控制方案。在此方案中，通過(guò)將控制電壓施加到比較器的一個(gè)輸入端，并將時(shí)鐘產(chǎn)生的固定頻率鋸齒電壓（或“PWM斜坡”）施加到另一輸入端來(lái)生成PWM信號。相較于另一種可選的電流模式控制方案，該技術(shù)在實(shí)現EMI最小化方面性能更佳。前者更容易加劇EMI程度，因為功率級產(chǎn)生的噪聲往往會(huì )進(jìn)入控制反饋回路。（參閱Digi-Key文庫文章《DC-DC開(kāi)關(guān)穩壓器中用于PWM信號發(fā)生的電壓和電流模式控制》）
除了考慮采用電壓模式控制外，多家芯片供應商還提供了許多方法來(lái)從內部減小電壓和電流紋波的幅度。Allegro Microsystems的A8660同步降壓轉換器正是一個(gè)實(shí)例。這款高端器件通過(guò)了汽車(chē)AEC-Q100認證。該穩壓器的輸入電壓 (VIN) 范圍為0.3至50V，可調輸出電壓范圍為3至45V，可編程基本頻率 (fOSC) 范圍為200kHz至2.2MHz。此外，A8660還提供一系列保護功能，包括在器件退出壓降狀態(tài)時(shí)，通過(guò)軟恢復來(lái)防止VOUT過(guò)沖和電壓尖峰干擾。
穩壓器實(shí)現EMI最小化的關(guān)鍵在于一種稱(chēng)作PWM基本頻率抖動(dòng)的技術(shù)。啟用后，內部設置的“抖動(dòng)掃描”會(huì )系統地將fOSC改變±10%，從而使開(kāi)關(guān)頻率能量分散。抖動(dòng)調制頻率 (fMOD)為12kHz，以三角調制波形進(jìn)行掃描。
在啟用和禁用抖動(dòng)的情況下，A8660的傳導和輻射發(fā)射頻譜對比如圖2所示。兩個(gè)測試設置采用的外部元器件和印刷電路板布局完全相同。
圖2：使用固定基本頻率（紅色）的開(kāi)關(guān)穩壓器與采用頻率抖動(dòng)（藍色）的穩壓器輻射發(fā)射頻譜對比。工作參數：fOSC = 2.2MHz，VIN = 12V，VOUT= 3.3V，負載 = 3A。（圖片來(lái)源：Allegro Microsystems）
對于工作頻率低于A(yíng)M無(wú)線(xiàn)電頻段 (fOSC < 520kHz) 的設計，A8660的同步輸入可用于fOSC及其諧波的頻移，以進(jìn)一步降低EMI。只需將外部時(shí)鐘連接至SYNCIN引腳，并將A8660的基本頻率由fOSC的1.2倍增至1.5倍即可實(shí)現。
Analog Devices的LT8210IFE同步降壓/升壓控制器也具有三角頻率調制方案。在這種情況下，LT8210IFE可將fSW由標稱(chēng)設定頻率緩慢擴展至設定值的112.5%，并解擴恢復。
此外，該器件還具有“直通”功能可暫停開(kāi)關(guān)，從而消除開(kāi)關(guān)損耗以降低EMI并提高效率。該穩壓器的輸入范圍為2.8至100V，輸出為1至100V。輸出電壓精度為±1.25%，反向輸入保護高達-40V。
啟用直通模式時(shí)，穩壓器的降壓和升壓調節回路可獨立運行。通過(guò)將降壓調節模式預設輸出電壓 VOUT(BUCK) 設置成高于升壓調節模式預設輸出電壓VOUT(BOOST)，即可使用獨立的誤差電流來(lái)產(chǎn)生直通窗口。直通模式對輸出電壓紋波的影響如圖所示（圖3）。
圖3：在直通模式下，即使面對高噪聲輸入源（紅色跡線(xiàn)），LT8210穩壓器亦可減小輸出電壓紋波（藍色跡線(xiàn)）。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
VIN在VOUT(BOOST)與VOUT(BUCK)之間時(shí)，輸出電壓追蹤輸入電壓。一旦VOUT趨近于VIN，LT8210就會(huì )進(jìn)入低功耗狀態(tài)（直通模式），即開(kāi)關(guān)A和D持續導通，而開(kāi)關(guān)B和C關(guān)斷。VOUT超出VIN達到設定百分比時(shí)，開(kāi)關(guān)A、C 和 D關(guān)斷，直至放電使輸出電壓與VIN幾乎相等時(shí)，才重新連接輸出。如果處于（非開(kāi)關(guān)）直通窗口內時(shí)輸入出現正瞬變，使得VIN超出VOUT達到設定百分比，則開(kāi)關(guān)將重新導通，以防電感器電流中出現較大幅度瞬時(shí)振蕩。此時(shí)，輸出電壓將逐漸接近輸入電壓，方式類(lèi)似于軟啟動(dòng)，而VOUT趨近于VIN時(shí)，開(kāi)關(guān)A和D將再次持續導通。開(kāi)關(guān)拓撲如圖4所示。
圖4：LT8210穩壓器的開(kāi)關(guān)。在直通模式下，開(kāi)關(guān)A和D持續導通，而開(kāi)關(guān)B和C關(guān)斷。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
Maxim Integrated的低EMI產(chǎn)品是MAX15021ATI+T降壓開(kāi)關(guān)穩壓器。輸入電壓范圍為2.5至5.5V，并具有兩路輸出，每路輸出都可由0.6V調節至輸入電壓大小。該穩壓器的基本頻率范圍為500kHz至4MHz，可通過(guò)單個(gè)電阻器進(jìn)行調節。
除了支持電壓模式控制方案以減小電壓紋波外，MAX15021穩壓器還可使用180°異相時(shí)鐘信號來(lái)工作（圖5）。此外，該器件的開(kāi)關(guān)頻率可調節，最高可達4MHz，藉此可顯著(zhù)減小RMS輸入紋波電流。而輸入電流峰值的減?。y波頻率增高），使所需輸入旁路電容容量減小，從而縮小所需電容器的尺寸。
圖5：MAX15021雙通道穩壓器可實(shí)現180°異相工作以抑制EMI。（圖片來(lái)源：Maxim Integrated）
本文小結
在高效率至關(guān)重要的應用中，模塊化開(kāi)關(guān)穩壓器是電壓調節的不錯選擇。但是，相較于LDO等替代解決方案，權衡要素包括電壓和電流紋波，以及穩壓器開(kāi)關(guān)元件產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓尖峰。若不經(jīng)濾波，噪聲會(huì )產(chǎn)生EMI，從而影響靠近穩壓器的敏感芯片。
雖然使用輸入和輸出濾波電路等成熟設計技術(shù)可降低EMI，但也需要借助大容量電容器來(lái)解決瞬態(tài)尖峰和紋波問(wèn)題，同時(shí)還會(huì )產(chǎn)生較大耗散功率，導致元器件過(guò)熱。
不過(guò)，工程師現可使用采用各種內置技術(shù)的新一代模塊化開(kāi)關(guān)穩壓器，來(lái)減小電壓和電流紋波以及瞬態(tài)尖峰，甚至在添加濾波電路前就可以抑制EMI。通過(guò)在設計中使用這些穩壓器，工程師能縮小輸入和輸出端的大容量電容器尺寸，從而縮小濾波電路的尺寸并降低成本。
作者：Steven Keeping 來(lái)源：得捷電子DigiKey
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