因應汽車和工業應用的 40 V 輸入、3.5 A Silent Switcher µModule 穩壓器

作者: Analog Devices 電源產品資深應用工程師 Zhongming Ye

低雜訊 Silent Switcher 架構簡化了EMI 設計

汽車、交通運輸和工業應用均對雜訊敏感,並且需要低 EMI 的電源解決方案。傳統的方式是透過減慢切換切換開關邊沿或降低切換開關頻率來控制 EMI。這兩種方法都會產生不良的影響,例如效率下降,最短導通和關斷時間增加,以及需要採用大尺寸的解決方案等。EMI 濾波器或金屬遮罩等替代方案對於所需的電路板空間、元件和裝配方面會增加大量的成本,並使熱管理和測試趨於複雜化。

ADI的低雜訊 μModule® 技術為切換開關穩壓器設計帶來了突破。採用 µModule 封裝的 LTM8003 穩壓器配備專利的 Silent Switcher® 架構,以最大限度降低 EMI 輻射,並在高切換開關頻率下提供高效率。穩壓器的架構和 µModule 元件的內部佈局設計,旨在最大限度縮小穩壓器的輸入迴路。如此能夠顯著地減少切換開關節點振鈴,與在熱迴路之中儲存的相關能量,即使存在非常快的切換開關邊緣也不例外。這種安靜的切換開關切換提供了卓越的 EMI 性能,同時最大限度降低了 AC 切換開關損耗,使得穩壓器能在高切換開關頻率下運行,且效率並不會明顯下降。

這種架構配合擴展頻譜頻率操作,大幅地簡化了 EMI 濾波器設計和佈局,非常適合那些對雜訊敏感的環境。圖 1 顯示了輸入側的簡單 EMI 濾波器,使展示電路能夠以足夠的餘裕通過 CISPR 25 Class 5 標準,如圖 2 所示。

 

圖 1:在輸入端配置一個簡單 EMI 濾波器的 5 V 轉換器符合 CISPR 25 Class 5 規格要求。

 

 

圖 2:DC2416A 展示電路符合輻射 EMI 頻譜 CISPR 25 Class 5 規格要求。

 

3.5 A 連續電流和 6 A 峰值電流提供能力

內部穩壓器能夠安全地提供高達 6 A 的峰值輸出電流,當依靠一個 12 V 標稱輸入持續支援 3.5 A 負載(在 3.3 V 或 5 V範圍內)時,LTM8003 無需採取額外的熱管理措施(氣流或散熱片)。如此可滿足工業機器人、工廠自動化和汽車系統中的電池供電型應用之需。

–40°C 至 +150°C 的寬廣操作溫度範圍

汽車、工業和軍事應用要求電源電路在超過 105°C 的環境溫度下連續安全運行,或者要求為溫升留出較大的儲備空間。LTM8003H 專為在 –40°C 至 +150°C 的內部工作溫度範圍內滿足規格要求而設計。內部過熱保護 (OTP) 電路負責監視接面溫度,並可在接面溫度過高時停止切換開關操作。

圖 3a 為一款可在 7 V 至 40 V 的寬廣輸入範圍內操作的 3.5 A、5 V 解決方案。其在 12 V 標稱輸入下的熱性能如圖 3b 所示。當採用一個 12 V 輸入並具有 2 A 負載時,典型效率高於 92%。

 

圖 3a 為一款可在 7 V 至 40 V 的寬廣輸入範圍內操作的 3.5 A、5 V 解決方案。其在 12 V 標稱輸入下的熱性能如圖 3b 所示。當採用一個 12 V 輸入並具有 2 A 負載時,典型效率高於 92%。

 

從 +3.5 V 至 +35 V 輸入產生 -5 V 負輸出

圖 4 是一款採用一個 12 V 標稱輸入(35 V 最大輸入)產生 -5 V、4 A 輸出的解決方案。BIAS 針腳應連接至 GND。

 

圖 4:一款採用 +5 V 至 +35 V 輸入提供高達 4 A 輸出電流的 -5 V 電源。

 

結論

LTM8003 是一款採用 Silent Switcher 架構的寬廣輸入和輸出範圍、低雜訊、3.5 A 降壓型µModule 穩壓器。其依靠3.4 V 至 40 V 輸入,能夠產生 0.97 V 至 18 V 輸出,從而無需透過電池或工業電源來進行中間穩壓。其針腳排列專為符合 FMEA (失效模式影響分析) 要求而特別設計,因此如果相鄰針腳短路、單個針腳短路對地、或某些引腳處於浮置狀態時,輸出電壓將保持在或低於調節電壓。在焊點因振動、老化或寬幅溫度變化而鬆動或開路的情況下(例如:在汽車和交通運輸應用中),冗餘引腳可增強電氣連接。

完整的解決方案可安裝在一個比 LTM8003 的6.25 mm × 9 mm × 3.32 mm BGA 封裝面積不大很少的精小空間內(包括輸入和輸出電容)。在一般情況下,25 µA 的靜態電流和 –40°C 至 +150°C(H等級)的寬廣操作溫度範圍使其非常適合空間擁擠、工作環境嚴酷、以及強制要求低靜態電流和高可靠性的運行環境。該元件的特性有助於最大限度減少設計工作量,並滿足針對工業機器人、工廠自動化、航空電子設備和汽車系統的嚴格標準。

 

圖 5:一款完整的降壓解決方案僅稍大於 LTM8003 µModule 穩壓器的 6.25 mm x 9 mm layout面積。

 


Author

Zhongming Ye

Zhongming Ye

Zhongming Ye is a Senior Applications Engineer for power products at Analog Devices Inc., in Milpitas, California. He has been working at Linear Technology, and now Analog Devices, since 2009, to provide application support on various products including buck, boost, flyback and forward converters. His interests in power management include high performance power converters and regulators of high efficiency, high power density, and low EMI for automotive, medical and industrial applications. Prior to joining Linear Technology, he worked at Intersil for three years on PWM controllers for isolated power products. He obtained a PhD degree in electrical engineering from Queen's University, Kingston, Canada. Zhongming was a Senior Member of IEEE Power Electronics Society.