開關穩(wěn)壓器由于尺寸,、輸出靈活性和效率優(yōu)勢，成為很多電源轉換電路的流行選擇,。視運行條件的不同而不同,，這類電源的轉換效率現(xiàn)在可以達到 98% 的水平。然而,，盡管有這些優(yōu)勢,，這類電源必須在其他參數(shù)上做出妥協(xié)，其中最難的一個就是噪聲,。

不過,，什么是開關穩(wěn)壓器的“噪聲”? 為了更好地理解這個術語，讓我們從開關模式電源產(chǎn)生寬帶諧波能量這一事實入手。這種人們不想要的能量以兩種形式出現(xiàn),，即輻射和傳導,，在業(yè)界，它們通常被稱為“噪聲”,。然而,，這個名稱確實不夠準確，因為開關穩(wěn)壓器的輸出“噪聲”根本就不是噪聲,，而是直接與穩(wěn)壓器的開關切換有關的,、自然而然剩余的高頻分量。這種現(xiàn)象的正確叫法是電磁輻射,，或者更常見的叫法是 EMI,。而且，確實,，EMI 有輻射和傳導兩種形式,。

既然在很多電路應用中，要實現(xiàn)最佳性能,，無噪聲,、良好穩(wěn)壓的電源非常重要，那么能夠降低在這種轉換過程必然存在的噪聲也就非常重要了,。降低噪聲的一種顯然方式是使用線性穩(wěn)壓器,。然而，盡管線性穩(wěn)壓器提供噪聲很低的電源軌,，但是在高降壓比時,，其轉換效率不佳，這在大輸出電流應用中,，可能導致設計出現(xiàn)熱量問題,。

相應地，開關穩(wěn)壓器通常比線性穩(wěn)壓器的轉換效率高,，因此當最終應用需要大輸出電流時,，開關穩(wěn)壓器的熱量設計會更簡單。人們能夠很好地理解,，在決定幾乎所有電源成敗時,，組件選擇和電路板布局發(fā)揮了非常重要的作用。這些方面決定了運行時的 EMI 和熱量表現(xiàn),。對外行而言,，開關電源布局也許看似魔法，但實際上,，在設計初期,，這常常是被忽視的一個基本方面,。既然總是必須滿足運行時的 EMI 要求，那么對電源運行穩(wěn)定性有好處的事,，通常對降低 EMI 輻射也是有好處的,。此外，從一開始就確定一個良好的布局,，不會給設計增加任何成本,，而且實際上，由于無需 EMI 濾波器,、機械屏蔽,、EMI 測試時間和無數(shù)次修改電路板，因此還有可能節(jié)省了成本,。

另外,，在一個設計中采用多個開關模式 DC/DC 穩(wěn)壓器以產(chǎn)生多個軌時，如果這些穩(wěn)壓器并聯(lián),，以均分電流并提供更大的輸出功率,，那就有可能加重噪聲引起的潛在干擾問題。如果所有穩(wěn)壓器都以一個相似的頻率運行 (切換),，那么電路中多個穩(wěn)壓器合起來產(chǎn)生的能量就有可能集中在一個頻率附近,。這種能量的存在可能會成問題，尤其是如果印刷電路板 (PCB) 上其余 IC 以及其他系統(tǒng)電路板相互靠得很近而易于受到這種輻射能量影響時,。在工業(yè)和汽車系統(tǒng)中,，這尤其有可能造成麻煩，因為這類系統(tǒng)都是密集排列的,，而且非?？拷娫肼曉矗鐧C械切換的電感性負載,、PWM 驅動功率輸出,、微處理器時鐘和觸點切換。此外,，如果以不同頻率切換,，那么互調(diào)分量有可能混疊到敏感頻段中。

開關穩(wěn)壓器輻射

在工業(yè),、醫(yī)療和汽車環(huán)境中,，散熱少、效率高對應用很重要,，因此通常用開關穩(wěn)壓器替代換線性穩(wěn)壓器,。此外，開關穩(wěn)壓器一般是輸入電源總線上的第一個有源組件,，因此對整個產(chǎn)品設計的EMI性能有很大的影響,。

傳導輻射依賴于連接到產(chǎn)品上的導線和走線。既然噪聲局限于設計中的特定端子或連接器,，那么如上面已經(jīng)提到的那樣,，在開發(fā)過程中，常?？梢酝ㄟ^良好的布局或濾波器設計,，相對較早地確保滿足傳導輻射要求。

輻射 EMI 則完全是另一回事,。電路板上攜帶電流的所有東西都輻射電磁場,。電路板上的每一條走線都是天線，每一個銅平面都是諧振器,。除了純正弦波或 DC 電壓,，任何信號都產(chǎn)生遍布信號頻譜的噪聲。即使進行了仔細設計,，在系統(tǒng)進行測試之前,，電源設計師也從不會真正知道輻射 EMI 有多嚴重。而直到設計基本完成,，才會正式進行輻射 EMI 測試,。

濾波器常常用來降低 EMI，降低某個頻率或某個頻率范圍內(nèi)的干擾強度,。通過增加金屬屏蔽和磁屏蔽,，可以衰減經(jīng)由空間輻射的那部分能量。通過增加鐵氧體珠和其他濾波器,，可以降伏依賴 PCB 走線的那部分能量 (傳導輻射),。EMI 不可能徹底消除，但是可以衰減到其他通信,、信號處理和數(shù)字組件可接受的水平,。此外，為了確保符合工業(yè)和汽車系統(tǒng)要求,，幾家監(jiān)管機構執(zhí)行了一些標準,。

采用表面貼裝技術的新式輸入濾波器組件比通孔式組件性能高。然而,，這種改進卻抵不過今天高頻開關穩(wěn)壓器日益提高的要求,。在更高的工作頻率上要求非常短的最短接通和斷開時間，導致因開關轉換更快而帶來更高次諧波分量,，因此增大了輻射噪聲,。不過，要獲得更高的轉換效率,，就需要這樣高的開關速度,。開關電容器充電泵沒有這種問題,，因為這種充電泵以低得多的開關頻率工作，而且最重要的是,，可以容許較慢的開關切換而不會降低效率,。

熟練的 PCB 設計師會設計很小的熱環(huán)路，并使屏蔽接地層盡可能靠近激活層,。然而,，要在去耦組件中存儲充足的能量，對器件引腳布局,、封裝結構,、熱設計和封裝尺寸就會有一定的要求，這些要求決定了最小熱環(huán)路尺寸,。使問題更加復雜的是,，在典型平面印刷電路板中，走線之間高于 30MHz 的磁性或變壓器型耦合將減弱所有濾波效果,，因為諧波頻率越高,，不希望的磁耦合就越有效。

解決 EMI 問題的另一種方案

已嘗試過真正解決 EMI 問題的方法是,，針對整個電路采用屏蔽盒,，即使這樣，屏蔽也不能完全防止對盒內(nèi)敏感電路的耦合,。當然,，這提高了成本、增大了所需電路板空間,、使熱量管理和測試更加困難并增加了額外的組裝費用,。另一種經(jīng)常使用的方法是降低開關速度。這種方法會產(chǎn)生一些不希望的效應,，即降低效率,，延長最短接通 / 斷開時間以及相關的停滯時間，因此降低了潛在的電流控制環(huán)路速度,。

幾年前,，凌力爾特公司推出了 LT8614 Silent Switcher? 穩(wěn)壓器，該器件無需使用屏蔽盒,，就可提供所希望的屏蔽盒效果,，同時還消除了上述很多缺點。然而,，在某些噪聲應用中,，由于相關的 EMI 輻射，電源設計師就是不喜歡使用基于電感器的穩(wěn)壓器。同時,，由于相對低的轉換效率和需要散熱器,，線性穩(wěn)壓器 (即 LDO) 也有可能被排除在外。結果,，設計師們轉向了另一種常見和稱為充電泵的方法,。

充電泵已經(jīng)出現(xiàn)幾十年了，它們提供 DC/DC 電壓轉換,，用開關網(wǎng)絡給兩個或更多電容器充電和放電?；境潆姳瞄_關網(wǎng)絡在電容器的充電和放電狀態(tài)之間切換,。如圖 1 所示，C1 是“浮動電容器”,，運送電荷,，C2 是“存儲電容器”，保存電荷,，并對輸出電壓濾波,。增加“浮動電容器”和開關陣列會實現(xiàn)多種好處。

 
圖 1：一個電壓反相器的簡化充電泵方框圖

當開關 S1 和 S3 接通或斷開時,，開關 S2 和 S4 斷開或接通,，輸入電源給 C1 充電。在下一個周期中,，S1 和 S3 斷開,，S2 和 S4 接通，電荷傳送到 C2,，產(chǎn)生 VOUT = ?(V+),。

不過，直到最近,，充電泵一直提供有限的輸入和輸出電壓范圍,，這限制了它們在工業(yè)和汽車應用中的使用，在這類應用中,，高達 40V 或 60V 的輸入是常見的,。不過，隨著凌力爾特公司推出高壓充電泵,，這種情況現(xiàn)在已經(jīng)改變了,。

高壓充電泵

LTC3245 是一款降壓-升壓型穩(wěn)壓器，丟棄了傳統(tǒng)上使用的電感器,，而采用了一個開關電容器充電泵,。其輸入電壓范圍為 2.7V 至 38V，可在沒有反饋分壓器的情況下使用,，以產(chǎn)生 3.3V 或 5V 這兩個固定輸出電壓之一,，或者通過反饋分壓器設定為 2.5V 至 5.5V 范圍內(nèi)的任何輸出電壓,。最大輸出電流為 250mA。LTC3245 能夠調(diào)節(jié)高于或低于輸入電壓的輸出電壓,，從而能夠滿足汽車冷車發(fā)動需求,。參見圖 2 的完整原理圖。

 
圖 2：LTC3245 原理圖,，從 2.7V 至 38V 輸入提供固定 5V 輸出

這個充電泵用 12V 電源提供 5V/100mA 輸出時,，能實現(xiàn) 80% 的效率，這幾乎是線性穩(wěn)壓器的兩倍,，從而有可能避免像帶散熱器的 LDO 那樣高之空間和成本要求,。該充電泵滿負載時功耗幾乎低 LDO 三倍。參見圖 3 的 LTC3245 效率和功耗曲線,。

 
圖 3：12V 輸入至 5V 輸出時,，LTC3245 效率 / 功耗曲線

EFFICIENCY：效率
5VOUT Efficiency vs Output Current：5VOUT 時，效率隨輸出電流的變化

LTC3245 還具備出色的輻射和傳導 EMI 性能,，如圖 4a 和 4b 所示,。這些測量結果是在一個符合 CISPR22 和 CISPR25 要求的微型容器中得出的。正如能夠看到的那樣,，恰當?shù)厝ヱ詈弦院?，在滿足政府的輻射和傳導 EMI 監(jiān)管法規(guī)要求方面，LTC3245 不會產(chǎn)生任何問題,。

 
圖 4：LTC3245 的輻射 (a) 和傳導 (b) EMI

AMPLITUDE：幅度
CISPR22 CLASS B LIMIT：CISPR22 CLASS B 限制
FREQUENCY：頻率
DETECTOR = PEAK HOLD：檢測器 = 峰值保持
SWEEP TIME：掃描時間
10 SWEEPS：10 次掃描
# OF POINTS：點數(shù)
CISPR25 CLASS 3 BROADBAND LIMIT：CISPR25 CLASS 3 寬帶限制

LOAD = 240Ω WITH 33μF ELECTROLYTIC & CERAMIC INPUT CAP：
負載 = 240Ω 以及 33μF 電解質(zhì)和陶瓷輸入電容器

DETECTOR = PEAK：檢測器 = 峰值


在很多工業(yè),、醫(yī)療和汽車應用中，運算放大器,、驅動器和傳感器等電子產(chǎn)品常常需要雙極性電源,。不過，罕有可用于負載點處的雙極性電源,。由于這種需求以及由于缺少簡便易用的解決方案,，凌力爾特公司開發(fā)了 LTC3260。

LTC3260 是一款負輸出充電泵 DC/DC 轉換器,，具備兩個低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器跟隨器,，可用單一 4.5V 至 32V 輸入電源產(chǎn)生正和負電源，如圖 5 的完整原理圖所示,。該器件可以在高效率突發(fā)模式 (Burst Mode?) 運行和低噪聲恒定電流頻率模式之間切換,，從而允許設計師針對應用做出最佳權衡。

LTC3260 可用反相輸入電壓在充電泵輸出 VOUT 端提供高達 100mA 電流,。這個 VOUT 還作為負 LDO 穩(wěn)壓器 LDO? 的輸入電壓,。充電泵頻率可用單個電阻器在 50kHz 至 500kHz 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。LTC3260 的每個 LDO 都可支持高達 50mA 的負載。而且,，每個 LDO 在 50mA 時都有 300mV 壓差電壓,，輸出電阻器分壓器網(wǎng)絡可用來設定輸出電壓。當兩個穩(wěn)壓器都禁止時,，停機靜態(tài)電流僅為 2μA,。

 
圖 5：12V 輸入電源至 ±5V 輸出

結論

眾所周知，在設計之初,，對于工業(yè),、醫(yī)療和汽車環(huán)境的 EMI 問題需要嚴加注意，以確保一旦系統(tǒng)完成,，能夠通過 EMI 測試,。直到現(xiàn)在為止，尚沒有一種必定成功的方法,，能確保通過選擇恰當?shù)碾娫?IC 而在最后輕松地通過 EMI 測試，除了功率非常低的系統(tǒng),。

凌力爾特公司最近推出了低 EMI 穩(wěn)壓器和 DC/DC 轉換器,，包括一個廣泛的線性穩(wěn)壓器系列以及 LT86xx Silent Switcher 降壓型轉換器。現(xiàn)在,，我們?nèi)找鏀U大的高壓充電泵系列提供了第三種選擇,。與線性穩(wěn)壓器相比，這類產(chǎn)品提供高得多的效率和低得多的功耗,，而且不需要應對與開關穩(wěn)壓器有關的補償,、布局、磁場和 EMI 問題,。