開關穩(wěn)壓器噪聲輻射
有兩種類型的輻射：傳導和輻射。傳導輻射依賴于連接一個產品的導線和走線。既然噪聲局限于設計中的特定終端或連接器，那么常常可以用良好的布局或濾波器設計在開發(fā)過程中相對較早地保證符合傳導輻射要求。
輻射是另一回事。電路板上攜帶電流的所有東西都輻射一個電磁場。電路板上的所有走線都是天線，所有銅平面都是諧振器。不同于純正弦波或 DC 電壓的任何信號都產生遍布信號頻譜的噪聲。即使進行了仔細設計，仍然無人在系統(tǒng)得到測試之前真正知道輻射情況有多糟，而且輻射測試直到設計基本完成才能正式進行。
那么設計工程師能做的是什么呢？一種方法是使用經過預先測試并已知具有低輻射的器件。使用這些“經過檢驗和認證”的器件極大地提高了設計師成功的機會。
任何變化的電流或電壓都會產生電磁 (EM) 形式的能量。這種能量在蜂窩電話、PC、醫(yī)療掃描儀、汽車、發(fā)送器、熒光燈、電線等中以不同強度出現(xiàn)。這種能量有在一定頻率范圍內定義的強度，強度隨距離而變化。噪聲這個名稱盡管不是一個科學定義的術語，但是在 EM 能量干擾、中斷或禁止其它電子器件或組件工作時，仍然用噪聲來表示這種能量。它也被稱為電磁干擾或 EMI。
濾波器用于通過衰減在某一頻率上或一個頻率范圍內的 EMI 強度來降低 EMI。這種能量通過空間傳播 (輻射) 的部分靠增加金屬或磁屏蔽衰減。依賴于 PCB 走線 (傳導) 的部分靠增加鐵氧體珠和其它濾波器來控制。EMI 不能消除，但是可以衰減到一個其它通信和數(shù)字組件可接受的水平。此外，幾個監(jiān)管機構實施了一些標準，以確保符合 EMI 要求。
超低噪聲 DC/DC 穩(wěn)壓器系統(tǒng)級封裝
凌力爾特公司一個新的 DC/DC 微型模塊 (µModule™) 穩(wěn)壓器系列通過在 DC/DC穩(wěn)壓器電路本身這個源頭衰減傳導和輻射能量，讓設計師安心。一個 DC/DC 微型模塊是一個完整的 DC/DC 系統(tǒng)級封裝。它包括電感器、控制器 IC、MOSFET (或開關組件)、輸入和輸出電容器以及補償電路，這些組件都制造在一個基片上并裝入一個密封的表面貼裝塑料封裝中，就像一個 IC 一樣。
這個系列已經過鑒定合格的 EMI 測試機構的評估，并通過了國際規(guī)范 CISPR 22的認證。換言之，這些產品經過檢驗和認證，可實現(xiàn)低噪聲工作。
超低 EMI DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器
一個開關穩(wěn)壓器的噪聲主要在接通和斷開時電流 (和電壓) 的快速通斷動作所引起。LTM4606 和 LTM4612 作為完整的開關穩(wěn)壓器系統(tǒng)，用來實現(xiàn)低輸入和輸出噪聲，同時提供一個開關穩(wěn)壓器電路的所有優(yōu)點。表 1 給出一個快速比較。LTM4612 與 LTM4606 類似，但具有更大的輸入和輸出電壓范圍。
在 LTM4606 和 LTM4612 中，在輸入端上集成了一個輸入高頻電感器，以衰減輸入噪聲。為了進一步衰減 LTM4606 和 LTM4612中的低輸出噪聲，這兩款器件內部都安裝了用于 MOSFET 和噪聲消除網絡的優(yōu)化柵極驅動器，以減輕噪聲耦合。
表 1：兩個新的超低噪聲 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器
輻射 EMI 噪聲測試結果
LTM4606 和 LTM4612 集成了一種功能，以最大限度地降低輻射 EMI 噪聲。輸入 型濾波器可以減輕從該器件耦合到主輸入總線的噪聲，因此減輕了影響其它電路系統(tǒng)的風險。它還限制傳導噪聲環(huán)路。在歐洲，容許的電磁輻射一般由 EN55022 定義。另一個常用規(guī)范是 CISPR 22，它來自國際機構 Comite International Special des Perturbations Radioelectriques。結果顯示，新的 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器具有比 CISPR22 Class B (準峰值) 輻射限制低超過 12dBuV 的裕度 (圖 1)。
圖 1：低噪聲 LTM4606 微型模塊于 12VIN 至 2.5VOUT/6A 的峰值掃描結果
Frequency：頻率
Antenna Polarity：天線極性
EUT Azimuth (Degrees) ：EUT 方位角 (度)
Antenna Height：天線高度
Uncorrected Amplitude：未校正幅度
Pre Amp Gain：前置放大器增益
Corrected Amplitude：校正幅度
Limit：限值
Margin：裕度
Ref.：基準
Emissions Level：輻射水平
CISPR22, Class B：CISPR22 Class B
Job#：任務號
Customer：客戶
DETECTOR: +PEAK：檢測器：+峰值
一個用于高速 SERDES 和 FPGA I/O 的干凈和高效率電源
盡管線性穩(wěn)壓器仍然是在 FPGA 和 ASIC 中為 I/O 線路供電的可行和簡單的解決方案，但是隨著以非常快速率 (在有些情況下超過 8Gbps 和高達 10Gbps) 工作的 SERDES (串行器-解串器) 的推出，線性穩(wěn)壓器不得不提供比過去更大的功率。在提供大輸出功率的同時，線性穩(wěn)壓器還耗散更多熱量。更多熱耗散的結果是，器件變得更熱，而且熱量管理可能變得昂貴、具有挑戰(zhàn)性并常常變得不實際。
另外，因為線性穩(wěn)壓器的電源抑制比 (PSRR) 在 100kHz 以上極大地降低，所以線性穩(wěn)壓器在從高頻開關穩(wěn)壓器 (例如:500kHz) 濾除噪聲方面是無效的。由于這個原因，給線性穩(wěn)壓器的電路增加了鐵氧體珠和 型濾波器，以降低高頻噪聲。
諸如新的低噪聲微型模塊穩(wěn)壓器系列等仔細設計的開關穩(wěn)壓器解決方案不僅能以相當于線性穩(wěn)壓器一小部分的熱耗散就能提供同樣的輸出功率，而且還能以非常低的噪聲提供功率，因此它可以用于 FPGA 或 ASIC 系統(tǒng)中的高速收發(fā)器。
將 DC/DC 微型模塊噪聲性能轉換成抖動和眼圖掃描結果：DC/DC 微型模塊系列經過賽靈思公司檢驗，適用于 RocketIO™
用這個超低噪聲 DC/DC 穩(wěn)壓器系列實現(xiàn)噪聲降低已經顯示了極好的結果。現(xiàn)在，經過幾次測試，這些結果已經轉換到了數(shù)字域。根據(jù)賽靈思公司設置的試驗，可以得出幾個結論。試驗配置、試驗設備和試驗結果的詳細演示在 FPGA Journal Chalk Talk 網絡廣播中提供：https://admin.acrobat.com/_a700655680/xilinx080826/。
1) 眼圖掃描
用來測量收發(fā)器眼圖張開度的眼圖掃描結果顯示了良好的質量。如圖 2 所示，眼圖張開度保證這個的 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器系列提供大電流 (能提供高達 6A 的電流)，而且不會降低眼圖質量。
2) 抖動測試
收發(fā)器的性能取決于發(fā)送器產生的抖動和接收器的抖動容限。包括 LTM4606 在內的 4 個產品都顯示了與線性穩(wěn)壓器可比較而且在有些情況下比線性穩(wěn)壓器還好的值。換句話說，微型模塊對抖動的影響可忽略不計。表 2 是一個總結。還可以參見圖 3。
3) 紋波
系統(tǒng)設計師用于高速 I/O 電源的另一個測量指標是電源紋波。更低的紋波是首選。還是在表 2 中，顯示了每個 DC/DC 微型模塊在 1.0V 和 1.2V 的輸出紋波。與線性穩(wěn)壓器 (LTC3026) 的紋波相比，結果有時更好 (也見表 2)。
LTM4606 DC/DC 微型模塊用于高速 I/O
經過測試適用于 RocketIO 的 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器之一是 LTM4606。LTM4606 是一個高 VIN、5A 的完整 DC/DC 系統(tǒng)級封裝。就這個測試而言，兩個 LTM4606 微型模塊組裝在一個插件板上，用于賽靈思的 Virtex-5 ML52x 測試板。一個 LTM4606 調節(jié) 1.0V，另一個調節(jié) 1.2V。
 
表 2：超低噪聲 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器為 RocketIO 供電時顯示卓越結果 ---- LTM 器件與低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 比較
總結：結合超低 EMI、低熱耗散和緊湊外形的 DC/DC 解決方案像線性穩(wěn)壓器一樣簡單，適用于高速 IO 和 SERDES
一個創(chuàng)新性 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器系列已經設計出來，用于在高速數(shù)據(jù)傳輸中關注 EMI 和/或最低 BER 的噪聲敏感電子系統(tǒng)。這些器件已經由獲得認證可進行 EMI 評估的測試實驗室所測試。此外，這個產品系列的一個子集在高速收發(fā)器系統(tǒng)上經過測試，以評估其對抖動的影響。
由于如下原因，這些微型模塊穩(wěn)壓器能以高效率、緊湊型封裝和類似線性穩(wěn)壓器的簡單設計提供超低噪聲性能：
• 屏蔽的電感器
• 仔細的布局
• 片上濾波器
• 受控 MOSFET 柵極驅動
• 低輸入和輸出紋波
• 采用表面貼裝封裝的完整 DC/DC 電路
這個 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器系列讓所有關注噪聲的系統(tǒng)設計師安心。 |
