電源設計需符合各種安規中關(guān)于電磁干擾 (EMI) 或射頻干擾 (RFI) 的日益嚴格的規范。但是電源上電時(shí)刻，系統協(xié)同工作和DC電源的紋波，是系統穩定性的核心問(wèn)題。今天給工程師二個(gè)對付電源毛刺和DC紋波的辦法和器件選型建議。
有經(jīng)驗的工程師都知道，系統最危險的時(shí)刻之一是電源上電通電的時(shí)刻。其中，上電時(shí)與時(shí)序和壓擺率相關(guān)的 IC 性能可能是溫度、相關(guān)電容器、機械應力、老化和其他因素的函數。當工作電壓軌下降至較低的個(gè)位數值時(shí)，就會(huì )加劇潛在的問(wèn)題，從而減少在標稱(chēng)電源軌下工作時(shí)的動(dòng)態(tài)余量。所有這些因素都有可能造成開(kāi)啟性能不一致和令人沮喪的調試過(guò)程。
第二個(gè)問(wèn)題是穩壓器提供了所需的 DC 電源軌，它可能需要額外的元件來(lái)確保正常啟動(dòng)、瞬態(tài)性能和低紋波，這反過(guò)來(lái)又會(huì )影響設備尺寸、上市時(shí)間和總材料清單 (BOM)。
產(chǎn)生毛刺的原因
在接通電源、集成電路過(guò)渡到正常工作狀態(tài)的“上電”期間可能出現毛刺，特別是在低電壓系統中。此類(lèi)上電毛刺特別令人頭疼，因為它們可能導難以調試的間歇性問(wèn)題，而且這些問(wèn)題又沒(méi)有明顯的關(guān)聯(lián)性或一致性。由于毛刺誘發(fā)條件往往是在“邊緣”，它們的發(fā)生可能隨溫度、電源線(xiàn)容差（雖然仍在規格范圍內）、同一設備批次中個(gè)別元件的變化以及其他難以確定的因素而發(fā)生變化。
低電壓系統會(huì )放大毛刺問(wèn)題，隨著(zhù)在越來(lái)越低的電壓下工作的低功耗設備日趨增多，這種毛刺也就變成了主要問(wèn)題。我們來(lái)考慮具有 3.3 V、2.5 V 和 1.8 V 三個(gè)邏輯電平的系統。對于 3.3 V 系統，輸出低壓閾值 (Vol) 和輸入低壓閾值 (Vil) 在 0.4 V 和 0.8 V 之間。如果在 0.9 V 時(shí)出現毛刺，可能由于開(kāi)啟和關(guān)閉操作導致處理器變得不穩定。
解決毛刺問(wèn)題的辦法及器件選型
克服這個(gè)問(wèn)題并不需要恢復到更高的電壓軌，也不需要采用復雜的系統級架構來(lái)消除毛刺或將其影響降到最低。相反，我們需要新一代監控 IC，無(wú)論在上電或斷電條件下的電壓水平如何，都可以識別問(wèn)題的獨特方面并防止出現毛刺。
實(shí)現這一目的需要采用專(zhuān)有的電路和 IC，如 MAX16162，這是一款具有無(wú)毛刺上電功能的毫微功耗電源監控器。有了這款采用四凸點(diǎn) WLP 和四引腳 SOT23 封裝的小型 IC，只要 VDD 低于閾值電壓，復位輸出就會(huì )保持低電平，從而防止復位線(xiàn)路上出現電壓毛刺。一旦達到電壓閾值并且延遲時(shí)間結束，復位輸出就取消斷言并啟用微控制器。
不同于傳統監控 IC 在 VCC 非常低時(shí)無(wú)法控制復位輸出狀態(tài)，MAX16162 的復位輸出保證在達到有效的 VCC 水平之前一直保持斷言狀態(tài)。
MAX16161 是 MAX16162 的近親，規格幾乎相同，但存在一個(gè)功能差異且前者對一些引腳布局進(jìn)行了重新定義。該器件配備了手動(dòng)復位 (MR) 輸入，會(huì )在接收到適當的輸入信號時(shí)發(fā)出復位信號。根據具體選擇，該信號可以是低電平有效或高電平有效信號。相比之下，MAX16162 沒(méi)有 MR 輸入，而是配備獨立的 VCC 和 VIN 的引腳，允許閾值電壓低至 0.6 V。
穩壓器必須解決三大關(guān)鍵問(wèn)題
降壓型 DC/DC 穩壓器廣泛用于提供 DC 電源軌。一個(gè)典型的系統可能有幾十個(gè)這樣的電源軌，用于提供不同的電源軌電壓或在同一電壓下的分離式電源軌。
大多數穩壓器必須解決三大關(guān)鍵問(wèn)題，但僅從那些接受非穩壓 DC 輸入并提供穩壓 DC 輸出的功能塊的簡(jiǎn)單角度來(lái)看，這些問(wèn)題未必顯而易見(jiàn)。具體問(wèn)題包括：
發(fā)熱?。焊吣苄Ш拖嚓P(guān)的發(fā)熱影響最小。
靜音：具有適合無(wú)故障系統性能的低紋波，以及滿(mǎn)足輻射噪聲標準（非聲學(xué)）的低 EMI。
全面：一種能最大限度地減少尺寸、風(fēng)險、BOM、上市時(shí)間和其他“軟”問(wèn)題的解決方案。
解決這些問(wèn)題的方法:
預測和管理風(fēng)險是設計者工作的一個(gè)正常部分。減少這些風(fēng)險的數量、強度是標準的終端產(chǎn)品戰略。具體的解決方案是采用功能全面的 DC/DC 穩壓器，即通過(guò)良好的設計和實(shí)施，使其實(shí)現發(fā)熱小、靜音和全面。使用已知設備可以減少不確定性，同時(shí)解決尺寸、成本、EMI、BOM 和裝配風(fēng)險等問(wèn)題。這樣做也會(huì )加快上市時(shí)間，并減少是否滿(mǎn)足監管合規要求導致的煩惱。
通過(guò)查看此類(lèi)穩壓器的完整系列，如 Analog Devices 的 Silent Switcher μModules，設計者可以選擇與所需額定電壓、電流相匹配的 DC/DC 穩壓器，同時(shí)確保滿(mǎn)足 EMI 要求，已知曉尺寸和成本并且不會(huì )出現意外。
這些穩壓器所包含的內容已遠超創(chuàng )新的原理和拓撲結構。這些穩壓器采用的技術(shù)包括：
技術(shù) 1：將穩壓器的開(kāi)關(guān)用作射頻振蕩器/源，并與作為天線(xiàn)的鍵合線(xiàn)結合。這就把該組件變成了一個(gè)射頻發(fā)射器，但不需要的能量可能會(huì )超過(guò)允許的限度。
技術(shù) 2：使用對稱(chēng)輸入電容，通過(guò)構建平衡的、方向相反的電流來(lái)抑制 EMI。
技術(shù) 3：最后，使用方向相反的電流環(huán)來(lái)消除磁場(chǎng)
器件選型：
Silent Switcher μModule 由許多獨立單元組成，其輸入電壓范圍、輸出電壓軌和輸出電流的額定值各不相同。例如，LTM8003 是一款 3.4 V 至 40 V 輸入、3.3 V 輸出、連續 3.5 A（6 A 峰值）的 μModule，符合 CISPR 25 的第 5 類(lèi)限值規定，但尺寸僅為 9 × 6.25 mm，高 3.32 mm 。
該器件的引腳布局符合故障模式影響分析 (FMEA) 的要求 (LTM8003-3.3)，這意味著(zhù)在相鄰引腳短路或引腳處于浮動(dòng)狀態(tài)時(shí)，輸出保持穩壓電壓或低于該電壓。典型靜態(tài)電流僅為 25 μA，H 級版本的額定工作溫度為 150℃。
LTM4657 是針對高開(kāi)關(guān)損耗和低傳導損耗的較好解決方案，例如在負載電流小和/或輸入電壓高的應用中。LTM4626 和 LTM4657 在相同開(kāi)關(guān)頻率下工作，具有相同的 12 V 輸入和 5 V 輸出，可以看出 LTM4657 的開(kāi)關(guān)損耗更低（圖 11）。此外，值更大的電感器減少了輸出電壓紋波。然而，LTM4626 能比 LTM4657 提供更多負載電流。
總結：
解決電源毛刺和文波問(wèn)題，是電源設計的關(guān)鍵，是為了確保系統的穩定性。工程師可應用新一代監控 IC，無(wú)論在上電或斷電條件下的電壓水平如何，都可以識別問(wèn)題的獨特方面并防止出現毛刺。而面對DC穩壓器問(wèn)題，除開(kāi)上述的三個(gè)技術(shù)外，還應巧用模擬器件，來(lái)解決問(wèn)題。
