安靜且簡單的Silent Switcher元件
作者：ADI 產品行銷總監Tony Armstrong
簡介
不言而喻，PC電路板的佈局設計決定了每一種電源設計的成敗。它決定了一個電源的功能、電磁干擾(EMI)和熱行為。雖然切換電源佈局不是黑魔法，但在設計過程中卻會經常被忽視，最終發現其至關重要時，卻為時已晚。因此需要一種行之有效的方法，從一開始就削弱這些潛在的EMI威脅，以確保電源安靜而穩定。雖然許多切換模式電源設計人員都很清楚切換模式電源的設計複雜性和細微差別，但很多公司根本沒有足夠的設計人員以滿足所有專案需求完成設計。隨著不少設計人員即將退休並離開這個產業，那麼，如何解決這個問題呢？
首先，就是因為類比電源設計人員不足，所以要求越來越多的數位設計人員進行切換模式電源設計！雖然大多數數位設計人員都知道如何使用簡單的線性穩壓器，但並非所有設計都要求降壓（降壓模式）。事實上，很多是升壓模式（升壓），甚至是升降壓拓撲（降壓和升壓模式相互結合）。
顯然，許多電子系統製造商都面臨一個問題：如何實現系統所需的所有切換模式電源電路？
解決設計資源短缺問題
在本文中，我們將介紹降壓穩壓器工作的一些基本原理，包括切換穩壓器熱迴路中的高di/dt和寄生電感如何導致電磁雜訊和切換振鈴。然後我們將看看如何減少高頻雜訊。我還將介紹ADI的Power by LinearTM Silent Switcher®技術，包括它如何構成，並展示它如何協助解決EMI問題，且絲毫不會影響性能。其中還包括SilentSwitcher元件如何工作。
我也將概述Silent Switcher的封裝和佈局，討論這些封裝和佈局如何提高降壓轉換器的整體性能。此外，我將示範如何將此技術融入我們的μModule®穩壓器，從而提高SilentSwitcher元件的整合度。對於不熟悉切換模式電源設計技術的設計人員，這些簡單易用的解決方案會很有幫助。
基本降壓穩壓器電路
最基本的電源拓撲之一是降壓穩壓器，如圖1所示。EMI從高di/dt迴路開始。供電線和負載線不應具有高交流電流分量。因此，輸入電容C2應將所有相關電流的交流分量傳輸至輸出電容C1，所有電流交流分量在這裡結束。
參考圖1，在M1關閉而M2打開的開啟週期中，交流電流在實線藍色迴路中流動。在關閉週期中，當M1打開而M2關閉時，交流電流在綠色虛線迴路中流動。大多數人難以理解，產生最高EMI的迴路既不是實線藍色迴路，也不是虛線綠色迴路。而是虛線紅色迴路中流動的全切換交流電流，從零切換至I峰值，再回到零。虛線紅色迴路通常是指熱迴路，因為它有最高交流電流和EMI能量。
導致電磁雜訊和切換振鈴的，是切換穩壓器熱迴路中的高di/dt和寄生電感。要減少EMI並改進功能，需要儘量減少虛線紅色迴路的輻射效應。如果我們能夠將虛線紅色迴路的PC電路板面積減少到零，並且能夠購買到具有零阻抗的理想電容，就能解決這個問題。然而，在現實世界中，設計工程師所能做的就是找到一個最佳的折衷方案！
那麼，這些高頻雜訊到底是從哪裡來的呢？在電子電路中，透過寄生電阻、電感和電容耦合，在切換轉換過程中，產生了高頻諧波。知道是哪裡產生雜訊，那麼如何減少高頻切換雜訊呢？減少雜訊的傳統方式是放慢MOSFET切換邊緣。透過放慢內部切換驅動器或從外部增加緩衝器，就可以實現。
但是，這會降低轉換器的效率，因為增加了切換損耗——特別是當切換穩壓器在高切換頻率（如2MHz）下運行時。說到這裡，我們為何要在2MHz的頻率下運行呢？實際上有幾個原因：
- 它允許使用較小（尺寸）的外部元件，如電容和電感。例如，每次切換頻率加倍，會使得電感值和輸出電容值減半。
- 在汽車應用中，在2 MHz下切換可以避免在AM頻段產生雜訊。
減少輻射，也可使用濾波器和遮罩，但這需要更多的外部元件和電路板面積。還可採用展頻(SSFM)技術，但這樣在已知範圍內會使系統時脈抖動。SSFM有助於滿足EMI標準要求。EMI能量被打散分佈在頻域上。雖然普通切換電源所選的切換頻率通常會在AM頻段之外（530 kHz至1.8 MHz），但在AM頻段內，未經調變的切換諧波仍可能不符合嚴格的汽車EMI要求。增加SSFM功能可明顯減少AM頻段內及其他區域中的EMI。
或者就使用ADI的Silent Switcher技術，該技術能夠滿足上述所有要求：
- 高效率
- 高切換頻率
- 低電磁輻射(EMI)
Silent Switcher技術
Silent Switcher元件無需放慢切換邊緣速率，解決了EMI和效率之間的權衡問題。那麼如何才能實現呢？考慮使用 LT8610, a如圖2 左側所示。這是支援42 V輸入的單晶片（內部有FET）同步降壓轉換器，可提供高達2.5 A的輸出電流。請注意，其左上角有一個輸入接腳(VIN)
但是，將LT8610與 LT8614 （支援42V輸入的單晶片同步降壓轉換器，可提供高達4 A的輸出電流）相比，我們可以看到，LT8614在封裝的另一側有兩個VIN接腳和兩個接地接腳。這很重要，因為它是實現超低雜訊切換的一部分！
如何使切換穩壓器具有超低雜訊
如何實現這個目標？在晶片另一側的VIN 和接地接腳之間放置兩個輸入電容可消除磁場。投影片中突出顯示了這一點，在原理圖和演示板上均用紅色箭頭指向電容的位置，如圖3所示。
LT8614詳情
LT8614包含Silent Switcher功能。利用該功能，我們透過使用銅柱倒裝晶片封裝能夠減少寄生電感。此外，還有反向VIN、接地和輸入電容，可消除磁場（適用右手法則）以降低EMI輻射。
由於不需要使用焊線鍵合式裝配技術所要求的長鍵合線，不會產生大的寄生電阻和電感，從而可減小封裝寄生電感。兩個對稱分佈的輸入熱迴路產生的反向磁場相互抵消，並且電迴路沒有淨磁場。
我們將LT8614 Silent Switcher穩壓器與目前先進的切換穩壓器LT8610進行比較。在GTEM室中，對兩個元件的標準演示板使用相同負載、相同輸入電壓和相同電感進行了測試。我們發現，與使用LT8610具有很不錯的EMI性能相比，使用LT8614時還能提高20dB，特別是在管理更高頻率更困難的區域。在整體設計中，與其他敏感系統相比，LT8614切換電源需要的濾波更少、距離更短，從而可以實現更簡單精巧的設計。此外，在時域內，LT8614在切換節點邊緣的性能良好。
Silent Switcher元件的進一步增強
儘管LT8614具有出色的性能，但我們並沒有停止改進的腳步。於是，LT8640 降壓穩壓器採用Silent Switcher架構，目的在大幅減少EMI/EMC輻射，同時在高達3 MHz的頻率下提供高效率。它採用3 mm × 4 mm QFN封裝，採用整合電源單晶片式結構，同時提供所有必需的電路功能，共同構成PCB佔用空間最小的解決方案。瞬變響應性能仍然很傑出，任何負載（從零電流到滿電流）時的輸出電壓漣波低於10 mV p-p。LT8640允許在高頻率下進行高VIN到低VOUT轉換，最短切換導通時間為30 ns。
為改進EMI/EMC，LT8640可工作在展頻模式。該功能以20%的三角調頻調整時脈。當LT8640處於展頻調變模式時，使用三角調頻功能在RT設定值與約高於該值20%之間調整切換頻率。調製頻率約為3 kHz。例如，當LT8640設為2 MHz時，3kHz速率下的頻率將從2MHz至2.4MHz不等。選擇展頻工作模式時， Burst Mode® 操作將會禁用，元件將在脈衝跳躍模式或強制連續模式下運行。
然而，儘管我們在Silent Switcher資料手冊中都有說明，如提供了原理圖和佈局建議，以及將輸入電容放在盡可能靠近IC兩側的位置，有一些客戶仍然會出錯。此外，我們的內部工程師也花了太多的時間來解決客戶的PCB佈局問題。因此，我們的設計人員提出了解決此問題的最佳解決方案——Silent Switcher 2架構。
Silent Switcher 2
採用Silent Switcher 2技術，我們只需將電容整合在新LQFN封裝內：VIN電容、IntVCC和升壓電容——盡可能靠近接腳放置。優勢是將所有熱迴路和接地層都包括在內，從而降低了EMI。外部元件越少，解決方案尺寸就越小。此外，我們還消除了PCB佈局敏感性。
如圖5所示，可以看出LT8640和 LT8640S的原理圖有何不同。而行銷突破點是為包含內部電容的整合度更高的新版本冠以「S」的型號尾碼，因為，它比第一代更「安靜」！
Silent Switcher 2技術提高了散熱性能。LQFN倒裝晶片封裝上的多個大尺寸接地裸露焊墊有助於封裝和PCB散熱。由於我們消除了高電阻鍵合線，因此還提高了轉換效率。LT8640S的EMI性能輕鬆滿足輻射EMI性能CISPR 25 Class 5峰值限制要求並且有較大的餘裕。
下一步：所有組件都與Silent Switcher 2 μModule穩壓器整合
Silent Switcher技術如此引人注目，我們選擇將其融入我們的 μModule穩壓器產品線。所有元件都整合在一個小尺寸封裝中， 為用戶提供了一個簡單可靠、高性能和高電源密度的解決方案。 LTM8053 和LTM8073
總結
綜上所述，Silent Switcher功能和優勢將使您的切換模式電源設計更容易滿足CISPR 32和CISPR 25等各種抗噪標準要求。它們能夠輕鬆有效地做到這一點是由於以下特性：
- 能夠在大於2 MHz切換頻率下進行高效轉換，並且對轉換效率的影響較小。
- 內部旁路電容減少EMI輻射並提供更精巧的解決方案占板空間。
- 採用Silent Switcher 2技術基本上消除了PCB佈局的敏感性。
- 可選展頻調變有助於降低雜訊敏感度。
- 使用Silent Switcher元件既可節省PCB面積，又可減少所需的層數。