作者：Bill Schweber
即便在發(fā)展日新月異的科技領域，也有一些根深蒂固的“傳統(tǒng)智慧”和臆斷，盡管經(jīng)歷了科技迅猛進步的洗禮，但仍舊抗拒改變。我偶爾還會聽到老一輩人說，延長充電電池壽命的方式是將電量完全耗盡，然后再進行充電。對于傳統(tǒng)的鎘鎳 (NiCad) 化學材料，可能的確如此，但對于今天的鋰電池而言，這可能是絕對錯誤的，實際上還會對電池壽命產(chǎn)生不利影響。
對于降壓 DC-DC 開關穩(wěn)壓器，同樣也存在一些錯誤觀念，特別是那些設計在較高輸入電壓（數(shù)十伏特）下工作并提供較大電流（高達 10 A 左右）的穩(wěn)壓器。固有觀念是低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 采用線性非開關拓撲結構，幾乎沒有噪聲，但效率非常低。相反，開關穩(wěn)壓器（轉換開關）相對噪聲較大，但效率非常高。
用戶對轉換開關的擔憂不僅限于臆斷存在的噪聲。雖然它們的效率很高（在“甜區(qū)”負載下工作時，效率高于 85%），但通常存在三個缺點：
1：它們會產(chǎn)生電噪聲，這種噪聲主要（但非全部）在其開關頻率下和諧波中出現(xiàn)。
2：它們的瞬態(tài)響應較差，易于出現(xiàn)不穩(wěn)定和振蕩，除非針對應用對其閉環(huán)響應進行仔細調節(jié)。
3：高功率開關穩(wěn)壓器需要外部 MOSFET，并用作開關器件控制器，而不是帶有內(nèi)部 MOSFET 的穩(wěn)壓器，因而需要更多的元器件和板空間。
但是，隨著最近的技術進步和創(chuàng)新拓撲結構的問世，這種情況已經(jīng)改變，LT8645S、LT8646S 和 LT8645S-2 就證明了這一點。這三款相似的 65 V 單片 Silent Switcher 同步降壓穩(wěn)壓器來自于 Analog Devices，每款穩(wěn)壓器都能夠支持 8 A 輸出（圖 1）。
圖 1：Silent Switcher 降壓穩(wěn)壓器的方框圖展示了它們的復雜度，但無法顯示用于實現(xiàn)重大性能改進的技術細節(jié)。（圖片來源：Analog Devices）
上述三款器件之間存在一些細微但明顯的差異，讓用戶能夠選擇最符合他們應用需求的特定配置（圖 2）。
圖 2：這三款開關穩(wěn)壓器非常相似，但存在一些細微的配置差異，這些差異可能對于特定應用至關重要。（圖片來源：Analog Devices）
我們首先談一下噪聲，因為對于開關穩(wěn)壓器而言，用戶通常最擔心的就是噪聲問題。毋庸置疑，優(yōu)質的低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 確立了低噪聲輸出的標準，但上述幾款先進的開關穩(wěn)壓器已經(jīng)非常接近它們的噪聲水平。
為什么要擔心噪聲呢？
穩(wěn)壓器輸出噪聲對系統(tǒng)性能的不利影響表現(xiàn)在以下幾個方面：
· 可能影響負載 IC 的性能一致性和可靠性，尤其是在較低電軌電壓供電、電源裕量非常小的情況下。
· 影響最終能夠達到的性能水平，因為它會降低模擬信號精度，例如在傳感器前端。
· 輸出軌噪聲可能是輻射和傳導電磁干擾 (EMI) 的來源。輻射噪聲尤其令人擔憂，因為它可能導致最終產(chǎn)品無法滿足眾多應用特定要求中的一項或多項，例如廣泛使用的 CISPR 25 輻射 EMI 測試。
無需擔憂
就設計而言，Analog Devices 的 Silent Switcher 架構可以確保實現(xiàn)低噪聲，從而獲得優(yōu)良的 EMI 性能。另外，作為單片器件，其性能不易受到印刷電路板（PC 板）布局的影響，因而可以消除元器件和布局引起的 EMI，這是設計時所要考慮的問題。
Silent Switcher 穩(wěn)壓器是如何做到這一點的？設計人員研究了時鐘和其他噪聲源的每一種表現(xiàn)方式，然后設計了各種方法加以克服。噪聲的兩個主要來源是開關架構固有的所謂“熱回路”，以及走線電感和瞬時振蕩。
為了抑制熱回路，Silent Switcher 設計將熱回路分為兩個均衡回路，使得它們的電流可以有效地相互抵消。為了解決走線電感問題，在芯片上集成旁路電容器，避免與印刷電路板走線電感和瞬時振蕩有關的問題，同時通過消除外部元器件及其貼裝的可變性確保性能。這種做法讓輻射放射性能能夠輕松達到 CISPR 25 標準限值（圖 3）。
圖 3：由于消除熱回路問題及增加集成旁路電容器等改進措施，Silent Switcher 穩(wěn)壓器的輻射遠遠低于法定最大值。（圖片來源：Analog Devices）
值得注意的是，這些器件的傳導噪聲也非常低，但這方面的法規(guī)限制不太嚴格。此外，使用鐵氧體磁珠更容易降低傳導噪聲，而輻射噪聲更難衰減，甚至可能需要昂貴和復雜的屏蔽措施。
這些開關穩(wěn)壓器的設計還能夠改進瞬態(tài)響應。它們提供清晰、精密的調節(jié)（盡管負載變化），并可在各種不同工作條件下保持回路穩(wěn)定性（圖 4）。為了增加靈活性，LT8646S 器件還允許外部電阻-電容器 (RC) 補償，讓設計人員能夠優(yōu)化瞬態(tài)響應。
圖 4：Silent Switcher 穩(wěn)壓器的設計還可產(chǎn)生快速、精確、一致的瞬態(tài)響應，即便在負載變化的情況下，也能提供穩(wěn)定可靠的直流輸出軌。（圖片來源：Analog Devices）
最后，集成高功率 MOSFET 還帶來諸多優(yōu)勢：
· 由于減少了 MOSFET 的印刷電路板走線，噪聲得以降低。
· 提供一致的輸入電源到輸出軌性能，達到在規(guī)格書上規(guī)定的性能標準。
· 整體外形尺寸更小；8-A 穩(wěn)壓器采用 6 mm × 4 mm LQFN 封裝，整個電路僅需少量無源元器件（圖 5）。
圖 5：基于 LT8645S-2（或該系列的其他元器件）的完整電源穩(wěn)壓器子系統(tǒng)外形緊湊且節(jié)省物料。（圖片來源：Analog Devices）
最后還有一個非常重要的問題：在使用這些高壓、大電流的 Silent Switcher 穩(wěn)壓器時，是否要在效率方面做出一定妥協(xié)或犧牲？畢竟，高效率是用戶使用轉換開關而非線性電源的最主要原因。
答案非常簡單：這些器件的效率與更高噪聲器件的效率處于同一區(qū)間（圖 6）。在負載電流為 1 A 至最高 8A 的范圍內(nèi)，器件的效率在約 90% 至 96% 之間，其中 2 A 至 4 A 范圍是“甜區(qū)”。
圖 6：除電流輸出值范圍的最高端和最低端外，8 A Silent Switcher 穩(wěn)壓器的效率保持在 95% 左右。（圖片來源：Analog Devices）
結語
開關穩(wěn)壓器具有高效率的重要優(yōu)點，但它們也可能會產(chǎn)生多余的輻射噪聲，對于電路、系統(tǒng)和法規(guī)要求來說，需要避免這些多余的噪聲。Analog Devices 提供的 Silent Switcher DC-DC 穩(wěn)壓器采用創(chuàng)新的架構，克服了傳統(tǒng)開關穩(wěn)壓器的諸多缺點，而不影響預期性能。 |
