【導讀】針對開關電源的一條基本原理是其一定不能產生大量的噪聲。因此，安靜、經過良好調節的電源對于在許多電路應用中實現最佳性能是很重要的。為了獲得這種性能水平，至關緊要的是能夠減輕轉換過程中而產生的任何噪聲。實現此目標的一種顯而易見的辦法就是使用線性穩壓器。然而，盡管線性穩壓器可提供安靜的電源軌，但是它們的轉換效率在高降壓比條件下欠佳，而這在高輸出電流應用中會導致設計的熱問題。
當然，基于磁性元件的開關穩壓器能夠緩解常見的熱問題，這是因為它們通常具有高的轉換效率，從而在最終應用要求高輸出電流時可實現熱設計的簡化。眾所周知，組件選擇和電路板布局在決定幾乎所有電源之設計成敗方面會起到重要的作用。這些方面設定了它們的功能性 EMI 和熱運行方式。對于新手來說，開關電源布局可能貌似一種“黑色”藝術，但是事實上它是設計的一個基本，而這方面在設計過程的早期常常是被忽視的。由于功能性 EMI 要求始終是必須滿足的，因此對電源功能穩定性有好處的東西對其 EMI 輻射指標常常也是有益的。此外，從頭開始的良好布局不僅不會給設計增加任何成本，而且通過免除增加 EMI 濾波器、結構屏蔽、EMI 測試時間和諸多電路板修改的需要，實際上還能節省成本。
而且，當在設計中使用多個 DC/DC 開關模式穩壓器以產生多個電源軌，或通過穩壓器的并聯來實現均流和提供較高輸出功率時，由于噪聲所引起的潛在干擾問題還會加劇。如果所有均在一個相似的頻率工作 (開關操作)，則由一個電路中的多個穩壓器產生的組合能量將集中在一個頻率上。該能量的存在會成為一個問題，特別是如果印刷電路板 (PCB) 上其余的 IC、以及其他系統板彼此靠近且容易受到該輻射能量的不良影響。在安裝密度高和通常靠近電噪聲發生源 (例如：機械式開關感性負載、PWM 驅動功率輸出、微處理器時鐘和接觸式開關) 的工業和汽車系統中，這會格外麻煩。此外，如果在不同的頻率執行開關操作，則互調分量會混疊至敏感的頻段中。
開關穩壓器輻射
在重視低散熱量和高效率的場合中，常常用開關穩壓器取代線性穩壓器。而且，開關穩壓器通常是輸入電源總線線路上的第一個有源組件，因而對于整個產品設計的 EMI 性能具有重大的影響。
傳導輻射“騎”在連接至某個產品的導線和走線上。由于噪聲集中到設計中的某個特定端子或連接器，因此與傳導輻射要求的相符性通常可利用良好的布局或濾波器設計在開發過程的早期予以保證。輻射發射是完全不同的另外一件事情。電路板上每個傳輸電流的組件和線路都輻射一個電磁場。電路板上的每一根走線都是一個天線，而每個銅平面則是一個諧振器。任何電信號 (純正弦波或 DC 電壓除外) 都將在整個信號頻譜上產生噪聲。即使采取了謹慎的設計，電源設計師在對系統進行測試之前都絕對不會真正知道輻射發射將糟糕到什么程度。而且，直到設計基本完成才能正式實施輻射發射測試。
濾波器常用于通過衰減某個特定頻率上或某個頻率范圍內的信號強度來降低 EMI。穿越空間傳輸的部分該能量 (輻射能量) 通過增設金屬和磁屏蔽加以衰減。“騎”在 PCB 走線上的那部分能量 (傳導能量) 則通過增設鐵氧體磁珠和其他濾波器進行抑制。EMI 雖然是不可消除，但是能夠被衰減至一個其他通信、信號處理和數字組件可以接受的水平。此外，有幾家管理機構強制執行標準以確保在工業和汽車系統中均實現相符性。
采用表面貼裝技術的新式輸入濾波器組件擁有優于通孔式元件的性能。然而，這種改善的步伐落后于當今高頻開關穩壓器所產生之需求的增速。由于較快開關轉換的原因，在較高工作頻率上要求的低最小導通和關斷時間會產生較高的諧波分量，從而增加輻射噪聲。然而，這些高開關邊緣速率是獲得較高轉換效率所必需的。開關電容器充電泵并未呈現這種運行方式，因為它工作在低得多的開關頻率，而且最重要的是能夠容許較慢的開關轉換，并不會導致效率的下降。
精明懂行的 PCB 設計師將縮小熱回路，并采用與有源層盡可能靠近的屏蔽接地層。盡管如此，器件引出腳配置、封裝結構、熱設計要求和在去耦組件中存儲充足能量所需的封裝尺寸還是決定了熱回路尺寸必須最小化。讓事情更復雜的是，在典型的平面型印刷電路板中，走線之間高于 30MHz 的磁性或變壓器型耦合將削弱濾波器所產生的各種作用，這是因為諧波頻率越高，就會成為不良影響越強的有害磁耦合。
開關電容器充電泵
充電泵已經存在了幾十年，它們提供 DC/DC 電壓轉換，使用一個開關網絡對兩個或更多的電容器進行充電和放電。基本的充電泵開關網絡在電容器的充電和放電狀態之間切換。如圖 1 所示，“飛跨電容器”C1 負責往返運送電荷，“儲能電容器”C2 用于保存電荷并對輸出電壓進行濾波。附加的“飛跨電容器”和開關陣列可實現多種增益。
圖 1：電壓逆變器的簡化充電泵方框圖
當開關 S1 和 S3 導通 (即閉合)，而開關 S2 和 S4 切斷 (即開路) 時，輸入電源為 C1 充電。在下一個周期中，S1 和 S3 斷開，S2 和 S4 導通，電荷轉移至 C2，從而產生 VOUT = – (V+)。
然而直到近期，充電泵一直存在著輸入和輸出電壓范圍有限的問題，因而限制了其在輸入常常高達 40V 或更高的工業和汽車應用中的使用。
在該領域中新近推出的一款產品是凌力爾特的 LTC3256。它是高集成度、高電壓低噪聲雙輸出電源，采用單一正輸入電壓，無需電感器并以高效率提供 5V 和 3.3V 降壓電源。該器件在很寬的 5.5V 至 38V 輸入電壓范圍內工作，包括可獨立地使能的雙輸出：5V 100mA 電源，以及 250mA 3.3V 低壓差 (LDO) 穩壓器，總共提供 350mA 可用輸出電流。與雙 LDO 解決方案相比，這些穩壓器結合使用后的功耗會低得多。例如，在 12V 輸入和兩個輸出均為最大負載情況下，LTC3256 的功耗降低超過 2W (相比于雙 LDO 方案)，從而顯著減少了熱損耗和輸入電流。這款器件的完整原理圖請見圖 2。
圖 2：LTC3256 原理圖具有一個 5V/100mA 輸出和一個 3.3V/250mA 輸出
LTC3256 專為符合 ISO26262 診斷覆蓋要求的系統而設計，納入了豐富的安全和系統監視功能。該器件非常適合要求采用高電壓輸入提供低噪聲、低電源軌的各種應用，例如：汽車 ECU / CAN 收發器電源、工業 / 電信內務處理電源、以及通用型低功率轉換。
LTC3256 通過以 2:1 模式運行充電泵，在盡可能寬的工作范圍內最大限度提高效率，并在需要時自動切換到 1:1 模式，以與 VIN 和負載情況保持一致。受控輸入電流和軟切換最大限度降低了傳導和輻射 EMI。該器件在兩個輸出均處于調節狀態 (無負載) 時，靜態電流僅為很低的 20μA，在停機模式中則為 1μA。集成的看門狗定時器、獨立的電源良好輸出以及復位輸入確保了可靠的系統運行并實現故障監視。1.1V 緩沖基準輸出允許針對安全運行至關重要的應用進行系統自測試診斷。LTC3256 還提供額外的安全功能，包括過流故障保護、過熱保護和 38V 輸入瞬態容限。
下面圖 3 中的曲線圖突出顯示了 LTC3256 的優良功耗特性。在 12VIN 時，具有 3.3V/250mA 和 5V/100mA 輸出的 LTC3256 消耗約 750mW 功率，而雙 LDO 方案在相同條件下的功耗則幾乎達到 3W。也就是說 LTC3256 的功耗少了 2.25W，對于設計的熱方面而言這是一個巨大的好處。
圖 3：LTC3256 與雙 LDO 的功耗特性比較
結論
眾所周知，在初始設計過程中需要謹慎地關注 EMI 考慮因素，以確保它們將在系統設計完成之時順利通過 EMI 測試。迄今為止，除了非常低功率系統之外，還沒有萬無一失方法來保證利用正確的電源 IC 選擇就能輕松地如愿以償。不過，隨著最近 LTC3256 高電壓充電泵等低 EMI 穩壓器的推出，現在有了一種可用的替代選擇。它可提供高得多的效率和較低的功耗 (當與線性穩壓器相比)，而且不必應對采用開關穩壓器時存在的補償、布局、磁學和 EMI 問題。
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