如何使用集成电源模块解决DC/DC的噪声、能效和布局的问题

为10伏（典型值）或更低的低电压和约2至15安培（A）的适度电流水平构建基本的降压（降压）DC/DC稳压器似乎并不困难。设计人员只需选择合适的开关稳压器IC，并使用数据手册或应用笔记中的示例电路添加一些无源元件。但是，设计是否真的完成了，并准备好发布到试运行，甚至生产？应该不会。

虽然稳压器提供了所需的直流电源轨，但它仍然存在一些潜在的问题和问题。首先，效率可能无法满足项目目标或法规要求，从而增加热影响，以及缩短电池寿命。其次，可能需要额外的组件来确保适当的启动、瞬态性能和低纹波，这反过来又会影响尺寸、上市时间和整体物料清单（BOM）。最后，也许也是最具挑战性的是，该设计可能无法满足各种法规要求对电磁干扰（EMI）或射频干扰（RFI）日益严格的限制，因此需要重新设计或进一步增加组件和测试。

本文介绍了基本DC/DC稳压器设计与满足或超过效率、低辐射和纹波噪声以及整体集成度要求的卓越设计之间的期望和性能差距。本文随后介绍了ADI公司的静音开关μ模块，并展示了如何使用它们来解决多个DC/DC降压稳压器问题。

IC使它看起来很容易，起初

降压型 DC/DC （降压）稳压器广泛用于提供直流电源轨。一个典型的系统可能有几十个这样的电源轨，提供不同的电源轨电压或在同一电压下物理上分离的电源轨。这些降压稳压器通常采用更高的电压，通常在 5 到 36 伏直流电之间，并将其调节到几或低两位数安培的单伏值（图 1）。

图 1：DC/DC 稳压器（转换器）的作用很简单：采用可能来自电池或整流滤波交流线路的非稳压直流电源，并提供严格稳压的直流电源轨作为输出。（图片来源：电子诊所）

在构建基本的降压稳压器时，有好消息也有坏消息。好消息是，构建一个提供名义上"足够好"性能的产品通常并不困难。有许多开关IC可用于完成大部分任务，只需要一个场效应晶体管（FET）（或根本不需要）和一些无源元件即可完成这项工作。稳压器IC的数据手册几乎总是显示一个典型的应用电路，包括原理图、电路板布局和BOM，其中可能提供元件供应商名称和部件号。

工程困境在于，对于一些不明显的稳压器性能参数，"良好"的性能水平可能是不够的。虽然输出直流电源轨可以提供足够的电流，并具有足够的线路/负载调节和瞬态响应，但这些因素只是电源轨故事的开始。

现实情况是，除了这些基本的绩效标准外，监管机构还受到其他因素的评估，其中一些因素是由外部要求驱动的。大多数稳压器必须解决的三个关键问题不一定是显而易见的，仅从接受非稳压直流输入并提供稳压直流输出的功能模块的简单角度来看。它们是（图2）：

• 冷却：高效率和相关的最小热影响。* 安静：低纹波可实现无差错的系统性能，加上低 EMI，可满足辐射噪声标准（非声学）。* 完整：一个集成的解决方案，可最大限度地减少规模、风险、BOM、上市时间和其他"软"问题。

DC/DC 稳压器必须做的不仅仅是提供稳定的电源轨;它还必须凉爽高效，EMI“安静”，功能完整。（图片来源：Math.stackexchange.com;作者修改）*

解决这些问题会带来一系列挑战，解决这些问题可能会成为一种令人沮丧的经历。这符合"80/20规则"，其中80%的努力用于完成最后20%的任务。更详细地查看这三个因素：

Cool ：每个设计师都想要高效率，但究竟有多高，成本是多少？答案是通常的：这取决于项目及其权衡。更高的效率很重要，主要有三个原因：

1. 它转化为一种更冷却的产品，可以提高可靠性，可以允许在更高的温度下运行，可以消除对强制空气（风扇）冷却的需要，或者如果可行，可以简化有效的对流冷却设置。在高端，可能需要将运行特别热的特定组件保持在低于其最高允许温度并在其安全操作区域内。2. 即使这些热因素不是问题，效率也会转化为电池供电系统的更长运行时间或减轻上游AC-DC转换器的负担。3. 现在有许多监管标准要求每类最终产品的特定效率水平。虽然这些标准没有规定产品中单个导轨的效率，但设计人员面临的挑战是确保整体总效率符合要求。当每个供电轨的 DC/DC 稳压器效率更高时，这更容易，因为这在与其他供电轨和其他损耗源的总和中提供了裕量。

安静 ：设计师关注的噪声有两大类。首先，DC/DC稳压器输出端的噪声和纹波必须足够低，以免对系统性能产生不利影响。随着数字电路中的轨电压降至低个位数，以及精密模拟电路，即使是几毫伏的纹波也会降低性能，这一点越来越受到关注。

另一个主要问题与EMI有关。EMI发射有两种类型：传导和辐射。传导辐射附着在连接到产品的电线和走线上。由于噪声局限于设计中的特定端子或连接器，因此通过良好的布局和滤波器设计，通常可以在开发过程的相对较早阶段确保符合传导辐射要求。

然而，辐射发射更为复杂。电路板上承载电流的每个导体都会辐射电磁场：每块电路板走线都是天线，每个铜平面都是镜子。除纯正弦波或直流电压外，任何其他因素都会产生宽信号频谱。

困难在于，即使经过精心设计，设计人员在系统进行测试之前也永远不会真正知道辐射发射会有多糟糕，并且在设计基本完成之前无法正式执行辐射发射测试。滤波器用于通过使用各种技术在特定频率或一定频率范围内衰减电平来降低EMI。

通过空间辐射的一些能量通过使用金属板作为磁屏蔽来衰减。位于印刷电路板走线（导通）上的低频部分使用铁氧体磁珠和其他滤波器进行控制。屏蔽有效，但带来了一系列新的问题。它必须设计良好，具有良好的电磁完整性（通常非常困难）。它增加了成本，增加了空间，使热管理和测试更加困难，并引入了额外的装配成本。

另一种技术是减慢稳压器的开关边沿。然而，这会产生降低效率、增加最小导通和关断时间以及所需死区时间以及影响电流控制环路速度的不良影响。

还有一种方法是通过仔细选择关键设计参数来调整稳压器设计，以降低EMI辐射。平衡这些稳压器权衡的任务涉及评估开关频率、占位面积、效率和产生的EMI等参数的相互作用。

例如，较低的开关频率通常会降低开关损耗和EMI并提高效率，但需要更大的元件，并增加占位面积。对更高效率的追求伴随着较低的最小导通和关断时间，由于开关转换更快，谐波含量更高。一般来说，开关频率每增加一倍，EMI就会差6分贝（dB），假设所有其他参数（如开关容量和转换时间）保持不变。宽带EMI的行为类似于一阶高通滤波器，当开关频率增加10倍时，发射高出20 dB。

为了克服这个问题，经验丰富的印刷电路板设计人员将使稳压器的电流环路（“热环路”）变小，并使用尽可能靠近有源层的屏蔽接地层。然而，引脚排列、封装结构、热设计要求以及去耦元件中充分储能所需的封装尺寸决定了一定的最小热回路尺寸。

为了使布局问题更具挑战性，典型的平面印刷电路板在 30 兆赫兹 （MHz） 以上的走线之间具有磁性或变压器式耦合。这种耦合将减弱滤波工作，因为谐波频率越高，不需要的磁耦合就越有效。

哪些标准是相关的？

EMI 领域没有单一的指导标准，因为它在很大程度上取决于应用和相关管理要求。其中引用最多的是EN55022，CISPR 22和CISPR 25。EN 55022是CISPR 22的改进衍生产品，适用于信息技术设备。该标准由欧洲电工标准化委员会CENELEC制定，负责电工工程领域的标准化。

这些标准很复杂，定义了测试程序、探头、仪器、数据分析等。在标准定义的众多限值中，B类辐射发射限值通常是设计人员最感兴趣的。

完整 ：即使对设计情况相当了解，以正确的方式选择和使用所需的支持组件也是一个挑战。元件放置和规格、印刷电路板接地和走线以及其他因素的细微差异都会对性能产生不利影响。

建模和仿真是必要的，可以提供帮助，但很难表征与这些组件相关的寄生效应，尤其是在其值发生变化时。此外，供应商的变化（或首选供应商的意外变更）可能会导致第二层或第三层参数值（如电感直流电阻（DCR））的微妙变化，这可能会产生重大和意想不到的后果。

此外，即使稍微重新定位无源元件或添加“再增加一个”，也会改变EMI情况并导致辐射超过允许的限值。

静音切换器 μModules 解决了这些问题

预测和管理风险是设计师工作的正常部分。减少这些风险的数量和强度是标准的最终产品策略。解决方案是使用功能完整的 DC/DC 稳压器，通过良好的设计和实施，该稳压器凉爽、安静且完整。使用已知器件可降低不确定性，同时解决尺寸、成本、EMI、BOM 和装配风险。这样做还可以加快上市时间并减少法规遵从性焦虑。

By looking at a complete family of such regulators, such as the Silent Switcher µModules from Analog Devices, designers can choose a DC/DC regulator matched to the needed voltage and current rating, while being assured that EMI mandates will be met, size and cost will be known, and there will be no surprises.

These regulators incorporate much more than innovative schematics and topologies. Among the techniques they use are:

• Technique #1: The switching of the regulator acts as an RF oscillator/source and combines with the bond wires, which act as antennas. This turns the assembly into an RF transmitter with undesired energy that may exceed allowed limits (Figures 3, 4, and 5).

Figure 3: The bond wires from the IC die to the package function as miniature antennas and radiate undesired RF energy. (Image source: Analog Devices)

图 4：静音切换器组件首先用倒装芯片技术替换键合线，从而消除了能量辐射导线。（图片来源：ADI公司）

图 5：倒装芯片方法有效地消除了天线并最大限度地减少了辐射能量。（图片来源：ADI公司）

• 技术 #2：使用对称输入电容通过产生平衡的相反电流来限制 EMI（图 6）。

图 6：还增加了双路镜像输入电容以约束 EMI。（图片来源：ADI公司）

• 技术#3。最后，使用相反的电流环路来消除磁场（图7）。

图 7：电流环路方向相反的内部布局也消除了不需要的磁场。（图片来源：ADI公司）

这些静音开关 μModule 代表了降压稳压器设计和封装的演变，从带有支持元件的 IC 到带有集成电容器的 LQFN IC，再到带有必要电容器和电感器的 μModule（图 8）。

图 8：通过在封装中集成电容器和电感器，静音开关 μModules 是以 IC 为中心的开关稳压器发展的第三阶段。（图片来源：ADI公司）

广泛的产品可满足需求和权衡

静音开关 μModule 由许多单独的单元组成，具有不同的输入电压范围、输出电压轨和输出电流额定值。例如，LTM8003是一款 3.4 至 40 V 输入、3.3 V 输出、3.5 A 连续（峰值为 6 A）μModule，符合 CISPR 25 5 类限制，但尺寸仅为 9 × 6.25 mm 和 3.32 mm 高（图 9）。

图 9：LTM8003 静音开关稳压器是一款纤巧、独立的封装，可轻松满足 CISPR 25 5 类峰值辐射能量限制（从 DC 到 1000 MHz）。 （图片来源：ADI公司）

该器件采用符合故障模式影响分析 （FMEA） 标准的引脚排列 （LTM8003-3.3） 封装，这意味着在相邻引脚短路期间或引脚悬空时，输出将保持在或低于调节电压。典型静态电流仅为 25 微安 （μA），H 级版本的额定工作温度为 150°C。

DC2416A演示（演示）板可供设计人员使用稳压器并评估其应用性能（图 10）。

Figure 10: The DC2416A demo board simplifies connection with and evaluation of the LTM8003 Silent Switcher device. (Image source: Analog Devices)

两个标称上相似的静音开关μModule系列成员LTM4657（3.1至20 V输入;0.5至5.5 V @8 A输出）和LTM4626（3.1至20 V输入;12 A输出时为0.6至5.5 V）显示了该器件提供的权衡的性质。[](https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/LTM4657EY-PBF/12385831)LTM4657 使用了一个比 LTM4626 更高值的电感器，因而允许其在较低频率下工作以降低开关损耗。

LTM4657 是实现高开关损耗和低传导损耗的更好解决方案，例如在负载电流较低和/或输入电压较高的应用中。观察 LTM4626 和 LTM4657 在相同的开关频率下工作，以及相同的 12 V 输入和 5 V 输出，可以看出 LTM4657 具有出色的开关损耗（图 11）。此外，其更高值的电感器可降低输出电压纹波。但是，LTM4626 能够提供比 LTM4657 更大的负载电流。

图 11：LTC4626 和 LTM4657 在 1.25 MHz 时的效率比较，在 DC2989A 演示板上具有相同的配置，显示出适度但切实的差异。（图片来源：ADI公司）

用户可以使用 DC2989A 演示板评估 LTM4657 的性能 （图 12），而对于需要评估 LTM4626 的用户，可以使用DC2665A-A板 （图 13）。[](https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/DC2989A/12168563)

图 12：DC2989A 演示板旨在加快 LTM4657 静音开关器的评估速度。（图片来源：ADI公司）

！[ADI公司用于LTM4626静音切换器模块的DC2665A-A演示板的图像]（file.elecfans.com/web2/M00/78/3C/pYYBAGNkzyKAOhn3AAAxuTr0QAM423.jpg“用于LTM4626静音切换器模块的ADI公司DC2665A-A演示板”）图 13：对于 LTM4626 静音切换器模块，可以使用 DC2665A-A 演示板来方便练习和评估。（图片来源：ADI公司）

静音切换器μ模块不限于单输出模块。例如，[LTM4628]（https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/LTM4628EV-PBF/2485833）是一款完整的双通道8 A输出开关DC/DC稳压器，可轻松配置为提供单路2相16 A输出（图14）。该模块采用 15 mm × 15 mm × 4.32 mm LGA 封装和 15 mm × 15 mm × 4.92 mm BGA 封装。它包括开关控制器、功率 FET、电感器和所有支持组件。

[！[ADI公司LTM4628双输出、每通道8 A开关DC/DC稳压器示意图（点击放大）]（https://www.digikey.com/-/media/Images/Article%20Library/TechZone%20Articles/2022/October/How%20to%20Address%20DC-DC%20Noise%20Efficiency%20and%20Layout%20Issues/article-2022october-how-to-address-dcdc-noise-fig14.jpg?la=en&ts=a3a95dcd-d9bd-470d-9140-b67e7ea36fc7“ADI公司LTM4628双输出，每通道8 A开关DC/DC稳压器 （单击以enlarge）“）]（https://www.digikey.com/-/media/Images/Article%20Library/TechZone%20Articles/2022/October/How%20to%20Address%20DC-DC%20Noise%20Efficiency%20and%20Layout%20Issues/article-2022october-how-to-address-dcdc-noise-fig14_fullsize.jpg?la=en&ts=45d15786-62cb-402c-9e7d-bc2864f6b5e5）*图 14：LTM4628 可配置为双输出、每通道 8 A 开关 DC/DC 稳压器，或配置为单输出、16 A 输出配置。（图片来源：ADI公司）*

该模块可在 4.5 至 26.5 V 的输入电压范围内工作，并支持由单个外部电阻器设置的 0.6 至 5.5 V 输出电压范围。用户可以使用[DC1663A]（https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/DC1663A/2674262）演示板研究其作为单输出或双输出器件的性能（图 15）。

！[ADI公司DC1663A演示板的图像]（https://www.digikey.com/-/media/Images/Article%20Library/TechZone%20Articles/2022/October/How%20to%20Address%20DC-DC%20Noise%20Efficiency%20and%20Layout%20Issues/article-2022october-how-to-address-dcdc-noise-fig15.jpg?la=en&ts=5312312f-bdb9-4797-aefd-a7613275e540“ADI公司DC1663A演示板”）*图 15：单路/双输出 LTM4628 的评估速度通过使用其 DC1663A演示板加速。（图片来源：ADI公司）*

结论

使用可用的 IC，设计一个正常工作的 DC/DC 稳压器相当容易。然而，设计一个同时具有效率、功能完整且满足各种令人困惑和严格的监管机构要求的稳压器则不然。ADI公司的静音切换器μ模块简化了设计过程。它们通过满足冷却高效运行、EMI 辐射低于允许限值和直接完整性的目标来消除风险。