為什么要在便攜式設(shè)計(jì)中使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器?

    效率高、功耗低（降低熱管理難度）、功率密度大是選擇開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器而非LDO的主要原因。在大部分負(fù)載范圍內(nèi)，商用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器模塊的效率（即輸出功率/輸入功率x100）通常約為90%至95%，遠(yuǎn)高于同等的LDO。此外，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器既能升壓、降壓，也可提供反相電壓，因此在靈活性上也勝過(guò)LDO。

    開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的核心是脈沖寬度調(diào)制(PWM)開(kāi)關(guān)元件，包含一兩個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，以及與之配對(duì)的一兩個(gè)電感器用于能量存儲(chǔ)。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的工作頻率決定了單位時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)循環(huán)次數(shù)，而PWM信號(hào)的占空比(D)決定了輸出電壓（根據(jù)VOUT=D×VIN）。

    在便攜式設(shè)計(jì)中，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的高效率雖是一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，卻也存在不少待權(quán)衡要素，包括成本、復(fù)雜性、尺寸、負(fù)載瞬變響應(yīng)慢以及低負(fù)載下的低效率（盡管正在逐步改進(jìn)）。另一項(xiàng)主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是應(yīng)對(duì)功率晶體管開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的EMI。其開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)引起電路其他部分的電壓和電流過(guò)沖，從而導(dǎo)致輸入輸出電壓和電流紋波，并在開(kāi)關(guān)頻率處（及其倍數(shù)）產(chǎn)生瞬態(tài)能量尖峰。電壓紋波在PWM“開(kāi)啟”周期結(jié)束時(shí)達(dá)到峰值（1）。

    1：開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓紋波波形顯示了瞬態(tài)尖峰是EMI的主要來(lái)源。（來(lái)源：AnalogDevices）

    EMI管理策略

    如需降低因穩(wěn)壓器功率FET開(kāi)關(guān)引起的EMI，在輸入和輸出端添加電阻電容(R-C)吸收電路是一種行之有效的方法。該電路有助于濾除能量尖峰，減小電壓和電流紋波，從而降低EMI。在好的設(shè)計(jì)中，輸出電壓為2至5V的開(kāi)關(guān)電源最好能將電壓紋波峰峰值降至10至50mV，并使瞬態(tài)尖峰最小化。

    濾波電路元件的選型是一項(xiàng)棘手的工作，尤其是輸入和輸出端的大容量電容器，因?yàn)樾枰谠骷叽?、成本（以及?duì)穩(wěn)壓器瞬態(tài)響應(yīng)和回路補(bǔ)償?shù)挠绊懀┡c電壓峰峰值、電流紋波和EMI抑制之間進(jìn)行權(quán)衡。

    借助基于關(guān)鍵公式的一些成熟技術(shù)是不錯(cuò)的切入點(diǎn)。輸入電壓紋波包括ΔVQ（由輸入電容器放電產(chǎn)生）和ΔVESR（由輸入電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)產(chǎn)生）。如果已指定輸入端的電壓紋波最大峰峰值，分別通過(guò)公式1和公式2即可估算大容量電容器的所需輸入電容(CIN)和ESR：

    公式1

    公式2

    其中：

    ILOAD(MAX)是最大輸出電流

    ΔIp-p是電感器電流峰峰值

    VIN是輸入供電電壓

    VOUT是穩(wěn)壓器輸出電壓

    fSW是開(kāi)關(guān)頻率

    同樣，如果已指定輸出端的電壓紋波最大峰峰值，則分別通過(guò)公式3和公式4即可確定大容量電容器的電容和ESR：

    公式3

    公式4

    請(qǐng)務(wù)必注意，ΔVESR和ΔVQ不可直接相加，因?yàn)閮烧弑舜讼辔幌喈?。如果設(shè)計(jì)人員選擇陶瓷電容器（ESR通常較低），則主要是ΔVQ；若選擇電解電容器，則主要是ΔVESR。

    快速負(fù)載瞬變期間輸出電壓與期望輸出的可接受偏差也會(huì)影響輸出電容容量和ESR阻值的選擇。具體而言，在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制器增大PWM占空比來(lái)響應(yīng)負(fù)載瞬變前，輸出電容器必須能夠在瞬變期間支持負(fù)載電流。如需計(jì)算負(fù)載階躍期間最小輸出偏差所需的輸出電容和ESR，可分別使用公式5和公式6：

    公式5

    公式6

    其中：

    ISTEP是負(fù)載階躍

    tRESPONSE是控制器的響應(yīng)時(shí)間

    這些計(jì)算雖有助于簡(jiǎn)化相應(yīng)元件的選擇以管理電壓和電流紋波及瞬態(tài)尖峰，但設(shè)計(jì)人員仍必須考慮電容器的耗散功率(PCAP)。計(jì)算公式如下：

    其中IRMS是RMS輸入紋波電流

    該公式表明在給定ESR的情況下，內(nèi)部溫升與紋波電流的平方成正比。在用于減小較大的紋波電流時(shí)，可能會(huì)造成電容器明顯發(fā)熱，如果散熱不及時(shí)，則電容器的電解液將逐漸蒸發(fā)，使其性能下降直至完全失效。為了避免出現(xiàn)這種情況，工程師必須選擇表面積較大、價(jià)格更昂貴的器件以促進(jìn)散熱。

    使用低EMI穩(wěn)壓器

    盡管輸入和輸出濾波可減小電壓和電流紋波，但是選擇一款既符合規(guī)格，又能實(shí)現(xiàn)最小紋波高度峰峰值的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器才是好的設(shè)計(jì)習(xí)慣。藉此減少濾波電容器因功率耗散而產(chǎn)生的應(yīng)力，從而使用更為小巧、便宜的器件。

    實(shí)現(xiàn)最小電壓和電流紋波的一種技術(shù)是采用電壓模式控制方案。在此方案中，通過(guò)將控制電壓施加到比較器的一個(gè)輸入端，并將時(shí)鐘產(chǎn)生的固定頻率鋸齒電壓（或“PWM斜坡”）施加到另一輸入端來(lái)生成PWM信號(hào)。相較于另一種可選的電流模式控制方案，該技術(shù)在實(shí)現(xiàn)EMI最小化方面性能更佳。前者更容易加劇EMI程度，因?yàn)楣β始?jí)產(chǎn)生的噪聲往往會(huì)進(jìn)入控制反饋回路。（參閱Digi-Key文庫(kù)文章《DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中用于PWM信號(hào)發(fā)生的電壓和電流模式控制》）

    除了考慮采用電壓模式控制外，多家芯片供應(yīng)商還提供了許多方法來(lái)從內(nèi)部減小電壓和電流紋波的幅度。AllegroMicrosystems的A8660同步降壓轉(zhuǎn)換器正是一個(gè)實(shí)例。這款高端器件通過(guò)了汽車AEC-Q100認(rèn)證。該穩(wěn)壓器的輸入電壓(VIN)范圍為0.3至50V，可調(diào)輸出電壓范圍為3至45V，可編程基本頻率(fOSC)范圍為200kHz至2.2MHz。此外，A8660還提供一系列保護(hù)功能，包括在器件退出壓降狀態(tài)時(shí)，通過(guò)軟恢復(fù)來(lái)防止VOUT過(guò)沖和電壓尖峰干擾。

    穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)EMI最小化的關(guān)鍵在于一種稱作PWM基本頻率抖動(dòng)的技術(shù)。啟用后，內(nèi)部設(shè)置的“抖動(dòng)掃描”會(huì)系統(tǒng)地將fOSC改變±10%，從而使開(kāi)關(guān)頻率能量分散。抖動(dòng)調(diào)制頻率(fMOD)為12kHz，以三角調(diào)制波形進(jìn)行掃描。

    在啟用和禁用抖動(dòng)的情況下，A8660的傳導(dǎo)和輻射發(fā)射頻譜對(duì)比如2所示。兩個(gè)測(cè)試設(shè)置采用的外部元器件和印刷電路板布局完全相同。

    2：使用固定基本頻率（紅色）的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器與采用頻率抖動(dòng)（藍(lán)色）的穩(wěn)壓器輻射發(fā)射頻譜對(duì)比。工作參數(shù)：fOSC=2.2MHz，VIN=12V，VOUT=3.3V，負(fù)載=3A。（來(lái)源：AllegroMicrosystems）

    對(duì)于工作頻率低于AM無(wú)線電頻段(fOSC<520kHz)的設(shè)計(jì)，A8660的同步輸入可用于fOSC及其諧波的頻移，以進(jìn)一步降低EMI。只需將外部時(shí)鐘連接至SYNCIN引腳，并將A8660的基本頻率由fOSC的1.2倍增至1.5倍即可實(shí)現(xiàn)。

    AnalogDevices的LT8210IFE同步降壓/升壓控制器也具有三角頻率調(diào)制方案。在這種情況下，LT8210IFE可將fSW由標(biāo)稱設(shè)定頻率緩慢擴(kuò)展至設(shè)定值的112.5%，并解擴(kuò)恢復(fù)。

    此外，該器件還具有“直通”功能可暫停開(kāi)關(guān)，從而消除開(kāi)關(guān)損耗以降低EMI并提高效率。該穩(wěn)壓器的輸入范圍為2.8至100V，輸出為1至100V。輸出電壓精度為±1.25%，反向輸入保護(hù)高達(dá)-40V。

    啟用直通模式時(shí)，穩(wěn)壓器的降壓和升壓調(diào)節(jié)回路可獨(dú)立運(yùn)行。通過(guò)將降壓調(diào)節(jié)模式預(yù)設(shè)輸出電壓VOUT(BUCK)設(shè)置成高于升壓調(diào)節(jié)模式預(yù)設(shè)輸出電壓VOUT(BOOST)，即可使用獨(dú)立的誤差電流來(lái)產(chǎn)生直通窗口。直通模式對(duì)輸出電壓紋波的影響如所示（3）。

    3：在直通模式下，即使面對(duì)高噪聲輸入源（紅色跡線），LT8210穩(wěn)壓器亦可減小輸出電壓紋波（藍(lán)色跡線）。（來(lái)源：AnalogDevices）

    VIN在VOUT(BOOST)與VOUT(BUCK)之間時(shí)，輸出電壓追蹤輸入電壓。一旦VOUT趨近于VIN，LT8210就會(huì)進(jìn)入低功耗狀態(tài)（直通模式），即開(kāi)關(guān)A和D持續(xù)導(dǎo)通，而開(kāi)關(guān)B和C關(guān)斷。VOUT超出VIN達(dá)到設(shè)定百分比時(shí)，開(kāi)關(guān)A、C和D關(guān)斷，直至放電使輸出電壓與VIN幾乎相等時(shí)，才重新連接輸出。如果處于（非開(kāi)關(guān)）直通窗口內(nèi)時(shí)輸入出現(xiàn)正瞬變，使得VIN超出VOUT達(dá)到設(shè)定百分比，則開(kāi)關(guān)將重新導(dǎo)通，以防電感器電流中出現(xiàn)較大幅度瞬時(shí)振蕩。此時(shí)，輸出電壓將逐漸接近輸入電壓，方式類似于軟啟動(dòng)，而VOUT趨近于VIN時(shí)，開(kāi)關(guān)A和D將再次持續(xù)導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)拓?fù)淙?所示。

    4：LT8210穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)。在直通模式下，開(kāi)關(guān)A和D持續(xù)導(dǎo)通，而開(kāi)關(guān)B和C關(guān)斷。（來(lái)源：AnalogDevices）

    MaximIntegrated的低EMI產(chǎn)品是MAX15021ATI+T降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。輸入電壓范圍為2.5至5.5V，并具有兩路輸出，每路輸出都可由0.6V調(diào)節(jié)至輸入電壓大小。該穩(wěn)壓器的基本頻率范圍為500kHz至4MHz，可通過(guò)單個(gè)電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

    除了支持電壓模式控制方案以減小電壓紋波外，MAX15021穩(wěn)壓器還可使用180°異相時(shí)鐘信號(hào)來(lái)工作（5）。此外，該器件的開(kāi)關(guān)頻率可調(diào)節(jié)，最高可達(dá)4MHz，藉此可顯著減小RMS輸入紋波電流。而輸入電流峰值的減?。y波頻率增高），使所需輸入旁路電容容量減小，從而縮小所需電容器的尺寸。

    5：MAX15021雙通道穩(wěn)壓器可實(shí)現(xiàn)180°異相工作以抑制EMI。（來(lái)源：MaximIntegrated）

    本文小結(jié)

    在高效率至關(guān)重要的應(yīng)用中，模塊化開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是電壓調(diào)節(jié)的不錯(cuò)選擇。但是，相較于LDO等替代解決方案，權(quán)衡要素包括電壓和電流紋波，以及穩(wěn)壓器開(kāi)關(guān)元件產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓尖峰。若不經(jīng)濾波，噪聲會(huì)產(chǎn)生EMI，從而影響靠近穩(wěn)壓器的敏感芯片。

    雖然使用輸入和輸出濾波電路等成熟設(shè)計(jì)技術(shù)可降低EMI，但也需要借助大容量電容器來(lái)解決瞬態(tài)尖峰和紋波問(wèn)題，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生較大耗散功率，導(dǎo)致元器件過(guò)熱。

    不過(guò)，工程師現(xiàn)可使用采用各種內(nèi)置技術(shù)的新一代模塊化開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，來(lái)減小電壓和電流紋波以及瞬態(tài)尖峰，甚至在添加濾波電路前就可以抑制EMI。通過(guò)在設(shè)計(jì)中使用這些穩(wěn)壓器，工程師能縮小輸入和輸出端的大容量電容器尺寸，從而縮小濾波電路的尺寸并降低成本。