作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

2025-01-08

在敏感的電子應(yīng)用中不存在“沉默”這樣的事情——實(shí)際上，這種情況永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。這是因?yàn)橄?a target="_blank">電源中的所有電磁干擾 (EMI) 噪聲幾乎是不可能的。緩解此問題的不同設(shè)計(jì)方法通常涉及可能會(huì)產(chǎn)生更大復(fù)雜性的權(quán)衡。

工程師們不遺余力地嘗試降低射頻電源（放大器）、高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、敏感儀器以及醫(yī)療成像和診斷系統(tǒng)等噪聲敏感應(yīng)用中的 EMI。這通常意味著增加額外的組件、屏蔽和濾波器，所有這些都會(huì)增加復(fù)雜性、成本、尺寸和重量。

開關(guān)模式電源 (SMPS) 和電子轉(zhuǎn)換器是 EMI 的主要原因，使汽車系統(tǒng)、消費(fèi)電子產(chǎn)品、工業(yè)自動(dòng)化和電信領(lǐng)域的許多應(yīng)用的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。

快速開關(guān)可最大限度地減少 DC-DC 轉(zhuǎn)換器、AC-DC 整流器、DC-AC 逆變器和 AC/AC 轉(zhuǎn)換器的能量損耗。然而，它會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)生高頻能量和瞬態(tài)的成本，從而導(dǎo)致 EMI 傳導(dǎo)和輻射。

EMI 會(huì)降低系統(tǒng)性能、干擾射頻、導(dǎo)致組件故障，并妨礙起搏器和汽車安全系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行。此類系統(tǒng)中 EMI 的主要原因是共模電流以相同方向流過兩個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體，從而感應(yīng)出磁場。

美國的許多（如果不是大多數(shù)）電子應(yīng)用必須遵守聯(lián)邦通信委員會(huì)第 15 部分的規(guī)定，旨在防止有害干擾，包括來自非 RF 設(shè)備的有害干擾。國際工業(yè)和通信應(yīng)用必須符合 CISPR 22 B 類國際標(biāo)準(zhǔn)，汽車應(yīng)用必須符合 CISPR 25 國際標(biāo)準(zhǔn)。其他地區(qū)也有類似的合規(guī)認(rèn)證。

EMI 測試通常在設(shè)計(jì)周期的后期進(jìn)行，因此問題和糾正措施可能會(huì)導(dǎo)致代價(jià)高昂的產(chǎn)品延遲。更糟糕的是，如果在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn) EMI 問題，可能會(huì)更難以查明并需要昂貴的補(bǔ)救措施。

可以使用多種類型的組件來對抗 EMI。低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器是一種傳統(tǒng)的低成本方法，可保護(hù)下游負(fù)載免受電壓瞬變和電源噪聲的影響。然而，它們可能會(huì)導(dǎo)致解決方案體積龐大，并且通常缺乏必要的保護(hù)功能。

具有高電源抑制比 (PSRR) 的更先進(jìn) LDO 可改善噪聲抑制，但不會(huì)直接提高效率或熱性能。與開關(guān)穩(wěn)壓器結(jié)合使用，它們可以將高效率與低噪聲結(jié)合起來。

設(shè)計(jì)人員還可以將精力集中在 PCB 布局上，以最大限度地減少傳播 EMI 的環(huán)路區(qū)域，并分離噪聲電路和敏感電路。另一種常用的補(bǔ)充方法是使用金屬和金屬合金等 EMI 屏蔽材料來隔離或封裝組件。還可以使用低噪聲放大器。

這些 EMI 降低技術(shù)通常同時(shí)使用，增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，讓開發(fā)人員尋求簡化方法。

簡化 EMI 設(shè)計(jì)問題

依賴 SMPS 設(shè)計(jì)的應(yīng)用的增長速度超過了熟練滿足嚴(yán)格 EMI 要求的設(shè)計(jì)人員的數(shù)量。許多數(shù)字設(shè)計(jì)人員被要求填補(bǔ)因模擬電源設(shè)計(jì)人員短缺而造成的技能空白。這一趨勢，加上 SMPS 設(shè)計(jì)日益復(fù)雜，表明需要進(jìn)一步集成 SMPS 組件以簡化流程。

[Analog Devices, Inc. (ADI)于 2015 年推出 Silent Switcher ] ^?^ 技術(shù)，致力于簡化 EMI 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。其目標(biāo)是優(yōu)化開關(guān)技術(shù)，同時(shí)簡化印刷電路板 (PCB) 設(shè)計(jì)。[LT8640]等第一代 Silent Switcher 器件通過使用銅柱倒裝芯片封裝而不是鍵合線將芯片連接到基板，從而降低了寄生電阻。他們還采用了旨在提高高頻效率的動(dòng)力系統(tǒng)。

這些第一代器件還將單個(gè)高電流“熱環(huán)路”分成具有相反電流的雙環(huán)路，從而抵消了傳播的 EMI。單個(gè)大響環(huán)具有高寄生元件和強(qiáng)磁場，會(huì)以輻射的形式產(chǎn)生 EMI。 Silent Switcher 器件還集成了內(nèi)部開關(guān)驅(qū)動(dòng)器，以最大限度地減少開關(guān)功率損耗。

2017 年，ADI 推出了一款基于 Silent Switcher 2 架構(gòu)的低 EMI 單片同步降壓轉(zhuǎn)換器。在這一代中， [LT8640S-2](等器件通過在新的 LQFN 封裝內(nèi)集成電容器、熱環(huán)路和接地層，減少了對外部組件的依賴。這使得解決方案尺寸更小，并消除了 PCB 布局敏感性，從而實(shí)現(xiàn)了更好的 EMI 性能。此外，Silent Switcher 2 器件還包括更多的銅柱和大的裸露焊盤，從而提高了熱性能和效率。

2021 年，ADI 推出了更新版 Silent Switcher 3 架構(gòu)，采用[LT8627SP] 同步降壓穩(wěn)壓器，具有超低低頻噪聲性能、超快瞬態(tài)響應(yīng)以及高開關(guān)頻率下的高效率，同時(shí)保持超低 EMI。它還提供了一個(gè)裸露的芯片頂部，可以選擇連接散熱器以適應(yīng)高環(huán)境溫度應(yīng)用。

Silent Switcher 3 μModule 穩(wěn)壓器

Silent Switcher 3 技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于 ADI 的 μModule? 高度集成封裝組件 (COP) 電源解決方案中。這種封裝可提供更好的熱性能，并進(jìn)一步節(jié)省總解決方案尺寸，從而實(shí)現(xiàn)小型、高效且可靠的電源解決方案。

μModule 穩(wěn)壓器的其他主要優(yōu)勢包括節(jié)省時(shí)間并減少設(shè)計(jì)、測試和鑒定 DC/DC 穩(wěn)壓器所需的工作量。 ADI 將控制器、功率 MOSFET、電感器和其他支持組件集成到一個(gè)緊湊的封裝中。它們可用作各種電信、網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)設(shè)備應(yīng)用、射頻電源、低噪聲儀器儀表以及高速高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的電源解決方案。

LTM4702 （圖 1）是一款完整的 8 A 降壓 μModule 穩(wěn)壓器，采用超緊湊 6.25 mm × 6.25 mm × 5.07 mm BGA 封裝，并集成了基于靜音開關(guān)的穩(wěn)壓器 IC，可實(shí)現(xiàn)低 EMI 和高效率[。] 它的工作輸入電壓范圍為 3V 至 16V，并支持 0.3V 至 5.7V 的輸出電壓。

圖 1：ADI 的 LTM4702 μModule 在增強(qiáng)型緊湊封裝中集成了控制器、功率 MOSFET、電感器和降壓轉(zhuǎn)換器的其他支持組件。它減少了噪聲敏感應(yīng)用中對后置 LDO 的需求。 （圖片來源：Analog Devices, Inc.）

多個(gè) LTM4702 可以并聯(lián)運(yùn)行以產(chǎn)生更高的輸出電流。通過將每個(gè) LTM4702 的 PHMODE 引腳編程為不同的電壓電平，最多可以并行運(yùn)行 12 個(gè)相位，以同時(shí)異相運(yùn)行。

此外，LTM4702 同步開關(guān)穩(wěn)壓器還具有出色的低頻輸出噪聲（10 Hz 至 100 kHz）。它非常適合高電流和噪聲敏感應(yīng)用。該器件采用恒定頻率 PWM 架構(gòu)，可通過使用從 RT 引腳連接到接地的電阻器進(jìn)行編程，以從 300 kHz 切換到 3 MHz。

單個(gè)電阻器可設(shè)置 LTM4702 的輸出電壓，以提供輸出電壓反饋的單位增益以及與輸出電壓無關(guān)的幾乎恒定的輸出噪聲。對于大多數(shù)噪聲敏感應(yīng)用，LTM4702 無需后調(diào)節(jié) LDO 和 LC 濾波器，僅需要輸入和輸出電容器即可完成設(shè)計(jì)。

EVAL [-LTM4702-AZ] 評估板（圖 2）可用于設(shè)置和評估 LTM4702 的性能。

圖 2：ADI 的 EVAL-LTM4702-AZ 評估板為設(shè)計(jì)人員提供了用于評估 LTM4702 性能的降壓 DC/DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器。 （圖片來源：Analog Devices, Inc.）

LTM8080 （圖 3）是一款 40 V IN、雙路 500 mA 或單路 1 A 器件，集成了雙路超高 PSRR LDO 穩(wěn)壓器和靜音切換器 DC/DC 穩(wěn)壓器，并由集成 EMI 屏蔽層隔開，封裝在耐熱增強(qiáng)型 9 mm 封裝中[。] × 6.25 mm × 3.32 mm，包覆成型 BGA 封裝。它支持 200 kHz 至 2.2 MHz 的開關(guān)頻率范圍以及 0 V 至 8 V 的輸出電壓范圍。~~

圖 3：ADI 的 LTM8080 μModule 在緊湊封裝中集成了雙 LDO 和靜音開關(guān) DC/DC 穩(wěn)壓器，兩者之間具有 EMI 屏蔽層。 （圖片來源：Analog Devices, Inc.）

前端開關(guān)穩(wěn)壓器是非隔離降壓開關(guān) DC/DC 電源，可提供高達(dá) 1.5 A 的連續(xù)電流。后端 LDO 線性穩(wěn)壓器采用 ADI 的超低噪聲（10 kHz 時(shí)為 2 nV/√Hz）和超高 PSRR（1 MHz 時(shí)為 76 dB）架構(gòu)。 LDO 輸出可并聯(lián)以 增加輸出電流

設(shè)計(jì)人員可以使用[DC3071A]（圖 4）演示電路（其具有 4V 至 40V 的寬工作范圍）來評估 LTM8080。

圖 4：DC3071A 演示電路包括一個(gè)具有兩個(gè)輸出的 LTM8080 μModule，每個(gè)輸出均為可調(diào) 3.3?? V/0.5 A。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

結(jié)論

ADI 的 Silent Switcher μModule 穩(wěn)壓器為應(yīng)對噪聲敏感電子應(yīng)用中的 EMI 挑戰(zhàn)提供了強(qiáng)大的解決方案。通過將先進(jìn)的 Silent Switcher 3 技術(shù)集成到高度緊湊且高效的系統(tǒng)級封裝設(shè)計(jì)中，這些 μModule 穩(wěn)壓器簡化了設(shè)計(jì)，提高了熱性能，并且在大多數(shù)情況下無需使用 LDO 后置穩(wěn)壓器。

從高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和射頻系統(tǒng)到醫(yī)療成像和工業(yè)設(shè)備，這些 μModule 穩(wěn)壓器使工程師能夠?qū)崿F(xiàn)超低噪聲和高效率，而不會(huì)增加傳統(tǒng) EMI 降低方法的復(fù)雜性。憑借 LTM4702 和 LTM8080 等產(chǎn)品，Analog Devices 繼續(xù)在提供滿足現(xiàn)代電子產(chǎn)品嚴(yán)格要求的創(chuàng)新解決方案方面處于領(lǐng)先地位，即使在對噪聲要求最嚴(yán)格的應(yīng)用中也能確保可靠的性能

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審核編輯 黃宇