在重視熱耗散和效率的場合中,人們會用開關穩壓器替代線性穩壓器。開關穩壓器通常是輸入電源總線線路上的首個有源組件,因此對于整個轉換器電路的EMI 性能具有重大的影響。
相比于通孔元件,表面貼裝技術中的新式輸入濾波器組件擁有更好的性能。然而,這種改進趕不上開關穩壓器工作開關頻率增加的步伐。由于開關切換速度較快的原因,較高的效率、低的最小導通和關斷時間產生了較高的諧波含量。
在所有其他參數(例如:開關電容和轉換時間)保持恒定的情況下,開關頻率每增加一倍將使EMI 性能下降6dB。如果開關頻率增加10 倍,則寬帶EMI 的作用就像一個輻射增加了20dB 的一階高通濾波器。
懂行的PCB 設計師將使熱回路很小,并采用盡可能靠近有源層的屏蔽GND 層;不過,引出腳配置、封裝構造、熱設計要求以及在去耦組件中實現足夠能量存儲所需的封裝尺寸限定了熱回路的最小尺寸。
對布局而言更為棘手的是,在典型的平面型印刷電路板上,高于30MHz 的走線間磁性耦合或變壓器型耦合將使得濾波器設計方面的所有努力大打折扣,因為諧波頻率越高,有害磁性耦合的作用就越明顯。
經過檢驗而可靠的解決方案是為整個電路采用一個屏蔽盒。當然,這么做將增加成本和所需的電路板空間、使熱管理和測試更加困難、并帶來額外的裝配成本。另一種常用的方法是減緩開關邊緣速率。這種做法的不利之處是會降低效率、增加最小導通/ 關斷時間和所需的死區時間、以及犧牲潛在的電流控制環路速度。
借助凌力爾特的新型LT8614 Silent Switcher™ 穩壓器,既可以獲得與屏蔽盒相同的作用,又不必使用屏蔽盒,同時還能消除上述的缺陷。見圖1。
圖1:LTC8614 Silent Switcher 可最大限度地抑制EMI / EMC,并在高達3MHz 的頻率條件下提供高效率。
LT8614 具有LT861x 系列中世界級的低IQ,工作電流僅為2.5µA。這是該器件在調節狀態和無負載條件下的總電源電流消耗。
LT8614 具有與該系列相同的超低壓差,其僅受限于內部頂端開關。與其他替代型解決方案不同,LT8614 的RDSON 并不受限于最大占空比和最小關斷時間。在壓差條件下,該器件將跳過其關斷周期并僅執行必需的最少斷開周期,以使內部頂端開關升壓級電壓得以保持,如圖6 所示。
與此同時,最小工作輸入電壓的典型值為2.9V(最大值為3.4V),而且該器件能在其處于壓差狀態時提供一個3.3V 電壓軌。在高電流時,LT8614 因其總開關電阻較低而擁有高于LT8610 / LT8611 的效率。另外,它還可同步至一個運作范圍為200kHz 至3MHz 的外部頻率。
由于AC 開關損耗很低,因此其可工作于高開關頻率而不使效率大幅下降。在那些對EMI 敏感的應用中(比如:汽車環境)可獲得一種上佳的平衡,LT8614 的運行頻率既可低于AM 頻段(以實現更低的EMI),也可高于AM 頻段。在一種采用700kHz 工作開關頻率的配置中,標準的LT8614 演示板在CISPR25 測量中未超過噪聲層。
圖2 所示的測量結果是在12VIN、3.3VOUT/2A 和700kHz 固定開關頻率下于一個吸波暗室中獲得的。
圖2:藍色掃跡為噪聲層;紅色掃跡是LT8614 演示板在一個吸波暗室中的CISPR25 輻射測量值。
為了比較LT8614 Silent Switcher 技術與當今最先進的開關穩壓器,我們對該器件和LT8610 進行了對比測量。測試在一個千兆赫橫電磁波室(GTEM cell)中進行,在用于這兩款器件的標準演示板上采用了相同的負載、輸入電壓和相同的電感器。
可見,與LT8610 已經非常優越的EMI 性能相比,采用LT8614 Silent Switcher 技術可實現高達20dB 的EMI 改善幅度,特別是在更難以控制的較高頻段中。這可實現更加簡單和緊湊的設計,在此類設計中,LT8614 開關電源所需的濾波和間隔比整體設計中的其他敏感系統要少。
在時域中,LT8614 在開關節點邊緣上表現出非常優良的工作特性,如圖4 所示。
即使采用每格為4ns 的標度,LT8614 Silent Switcher 穩壓器也顯現出非常低的振鈴(見圖3 中的Ch2)。LT8610 雖然具有優良的阻尼振鈴(圖3 中的Ch2),但是與Ch2 中的LT8614 相比,可以看到LT8610 在熱回路中存儲了較高的能量。
圖3:藍色掃跡是LT8614,紫色掃跡為LT8610;兩者均在13.5VIN、3.3VOUT 和2.2A 負載條件下。