EMI 很低的高壓充電泵

背景信息

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

不過(guò)，什么是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的“噪聲”? 為了更好地理解這個(gè)術(shù)語(yǔ)，讓我們從開(kāi)關(guān)模式電源產(chǎn)生寬帶諧波能量這一事實(shí)入手。這種人們不想要的能量以?xún)煞N形式出現(xiàn)，即輻射和傳導(dǎo)，在業(yè)界，它們通常被稱(chēng)為“噪聲”。然而，這個(gè)名稱(chēng)確實(shí)不夠準(zhǔn)確，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)切換有關(guān)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(jiàn)的叫法是 EMI。而且，確實(shí)，EMI 有輻射和傳導(dǎo)兩種形式。

既然在很多電路應(yīng)用中，要實(shí)現(xiàn)最佳性能，無(wú)噪聲、良好穩(wěn)壓的電源非常重要，那么能夠降低在這種轉(zhuǎn)換過(guò)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(xiàn)性穩(wěn)壓器。然而，盡管線(xiàn)性穩(wěn)壓器提供噪聲很低的電源軌，但是在高降壓比時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率不佳，這在大輸出電流應(yīng)用中，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)出現(xiàn)熱量問(wèn)題。

相應(yīng)地，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通常比線(xiàn)性穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)換效率高，因此當(dāng)最終應(yīng)用需要大輸出電流時(shí)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的熱量設(shè)計(jì)會(huì)更簡(jiǎn)單。人們能夠很好地理解，在決定幾乎所有電源成敗時(shí)，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(yùn)行時(shí)的 EMI 和熱量表現(xiàn)。對(duì)外行而言，開(kāi)關(guān)電源布局也許看似魔法，但實(shí)際上，在設(shè)計(jì)初期，這常常是被忽視的一個(gè)基本方面。既然總是必須滿(mǎn)足運(yùn)行時(shí)的 EMI 要求，那么對(duì)電源運(yùn)行穩(wěn)定性有好處的事，通常對(duì)降低 EMI 輻射也是有好處的。此外，從一開(kāi)始就確定一個(gè)良好的布局，不會(huì)給設(shè)計(jì)增加任何成本，而且實(shí)際上，由于無(wú)需 EMI 濾波器、機(jī)械屏蔽、EMI 測(cè)試時(shí)間和無(wú)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(gè)設(shè)計(jì)中采用多個(gè)開(kāi)關(guān)模式 DC/DC 穩(wěn)壓器以產(chǎn)生多個(gè)軌時(shí)，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(wèn)題。如果所有穩(wěn)壓器都以一個(gè)相似的頻率運(yùn)行 (切換)，那么電路中多個(gè)穩(wěn)壓器合起來(lái)產(chǎn)生的能量就有可能集中在一個(gè)頻率附近。這種能量的存在可能會(huì)成問(wèn)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(shí)。在工業(yè)和汽車(chē)系統(tǒng)中，這尤其有可能造成麻煩，因?yàn)檫@類(lèi)系統(tǒng)都是密集排列的，而且非?？拷娫肼曉矗鐧C(jī)械切換的電感性負(fù)載、PWM 驅(qū)動(dòng)功率輸出、微處理器時(shí)鐘和觸點(diǎn)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輻射

在工業(yè)、醫(yī)療和汽車(chē)環(huán)境中，散熱少、效率高對(duì)應(yīng)用很重要，因此通常用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器替代換線(xiàn)性穩(wěn)壓器。此外，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器一般是輸入電源總線(xiàn)上的第一個(gè)有源組件，因此對(duì)整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的EMI性能有很大的影響。

傳導(dǎo)輻射依賴(lài)于連接到產(chǎn)品上的導(dǎo)線(xiàn)和走線(xiàn)。既然噪聲局限于設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)過(guò)程中，常?？梢酝ㄟ^(guò)良好的布局或?yàn)V波器設(shè)計(jì)，相對(duì)較早地確保滿(mǎn)足傳導(dǎo)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(chǎng)。電路板上的每一條走線(xiàn)都是天線(xiàn)，每一個(gè)銅平面都是諧振器。除了純正弦波或 DC 電壓，任何信號(hào)都產(chǎn)生遍布信號(hào)頻譜的噪聲。即使進(jìn)行了仔細(xì)設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試之前，電源設(shè)計(jì)師也從不會(huì)真正知道輻射 EMI 有多嚴(yán)重。而直到設(shè)計(jì)基本完成，才會(huì)正式進(jìn)行輻射 EMI 測(cè)試。

濾波器常常用來(lái)降低 EMI，降低某個(gè)頻率或某個(gè)頻率范圍內(nèi)的干擾強(qiáng)度。通過(guò)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(guò)增加鐵氧體珠和其他濾波器，可以降伏依賴(lài) PCB 走線(xiàn)的那部分能量 (傳導(dǎo)輻射)。EMI 不可能徹底消除，但是可以衰減到其他通信、信號(hào)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(chē)系統(tǒng)要求，幾家監(jiān)管機(jī)構(gòu)執(zhí)行了一些標(biāo)準(zhǔn)。

采用表面貼裝技術(shù)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(jìn)卻抵不過(guò)今天高頻開(kāi)關(guān)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(kāi)時(shí)間，導(dǎo)致因開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換更快而帶來(lái)更高次諧波分量，因此增大了輻射噪聲。不過(guò)，要獲得更高的轉(zhuǎn)換效率，就需要這樣高的開(kāi)關(guān)速度。開(kāi)關(guān)電容器充電泵沒(méi)有這種問(wèn)題，因?yàn)檫@種充電泵以低得多的開(kāi)關(guān)頻率工作，而且最重要的是，可以容許較慢的開(kāi)關(guān)切換而不會(huì)降低效率。

熟練的 PCB 設(shè)計(jì)師會(huì)設(shè)計(jì)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(chǔ)充足的能量，對(duì)器件引腳布局、封裝結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計(jì)和封裝尺寸就會(huì)有一定的要求，這些要求決定了最小熱環(huán)路尺寸。使問(wèn)題更加復(fù)雜的是，在典型平面印刷電路板中，走線(xiàn)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?yàn)橹C波頻率越高，不希望的磁耦合就越有效。

解決 EMI 問(wèn)題的另一種方案

已嘗試過(guò)真正解決 EMI 問(wèn)題的方法是，針對(duì)整個(gè)電路采用屏蔽盒，即使這樣，屏蔽也不能完全防止對(duì)盒內(nèi)敏感電路的耦合。當(dāng)然，這提高了成本、增大了所需電路板空間、使熱量管理和測(cè)試更加困難并增加了額外的組裝費(fèi)用。另一種經(jīng)常使用的方法是降低開(kāi)關(guān)速度。這種方法會(huì)產(chǎn)生一些不希望的效應(yīng)，即降低效率，延長(zhǎng)最短接通 / 斷開(kāi)時(shí)間以及相關(guān)的停滯時(shí)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(wú)需使用屏蔽盒，就可提供所希望的屏蔽盒效果，同時(shí)還消除了上述很多缺點(diǎn)。然而，在某些噪聲應(yīng)用中，由于相關(guān)的 EMI 輻射，電源設(shè)計(jì)師就是不喜歡使用基于電感器的穩(wěn)壓器。同時(shí)，由于相對(duì)低的轉(zhuǎn)換效率和需要散熱器，線(xiàn)性穩(wěn)壓器 (即 LDO) 也有可能被排除在外。結(jié)果，設(shè)計(jì)師們轉(zhuǎn)向了另一種常見(jiàn)和稱(chēng)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(zhuǎn)換，用開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)給兩個(gè)或更多電容器充電和放電?；境潆姳瞄_(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)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(dòng)電容器”，運(yùn)送電荷，C2 是“存儲(chǔ)電容器”，保存電荷，并對(duì)輸出電壓濾波。增加“浮動(dòng)電容器”和開(kāi)關(guān)陣列會(huì)實(shí)現(xiàn)多種好處。

圖 1：一個(gè)電壓反相器的簡(jiǎn)化充電泵方框圖

當(dāng)開(kāi)關(guān) S1 和 S3 接通或斷開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān) S2 和 S4 斷開(kāi)或接通，輸入電源給 C1 充電。在下一個(gè)周期中，S1 和 S3 斷開(kāi)，S2 和 S4 接通，電荷傳送到 C2，產(chǎn)生 V_OUT = -(V+)。

不過(guò)，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?cè)诠I(yè)和汽車(chē)應(yīng)用中的使用，在這類(lèi)應(yīng)用中，高達(dá) 40V 或 60V 的輸入是常見(jiàn)的。不過(guò)，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(gè)開(kāi)關(guān)電容器充電泵。其輸入電壓范圍為 2.7V 至 38V，可在沒(méi)有反饋分壓器的情況下使用，以產(chǎn)生 3.3V 或 5V 這兩個(gè)固定輸出電壓之一，或者通過(guò)反饋分壓器設(shè)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(mǎn)足汽車(chē)?yán)滠?chē)發(fā)動(dòng)需求。參見(jiàn)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(gè)充電泵用 12V 電源提供 5V/100mA 輸出時(shí)，能實(shí)現(xiàn) 80% 的效率，這幾乎是線(xiàn)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(mǎn)負(fù)載時(shí)功耗幾乎低 LDO 三倍。參見(jiàn)圖 3 的 LTC3245 效率和功耗曲線(xiàn)。

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

LTC3245 還具備出色的輻射和傳導(dǎo) EMI 性能，如圖 4a 和 4b 所示。這些測(cè)量結(jié)果是在一個(gè)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(dāng)?shù)厝ヱ詈弦院?，在滿(mǎn)足政府的輻射和傳導(dǎo) EMI 監(jiān)管法規(guī)要求方面，LTC3245 不會(huì)產(chǎn)生任何問(wèn)題。

圖 4：LTC3245 的輻射 (a) 和傳導(dǎo) (b) EMI

在很多工業(yè)、醫(yī)療和汽車(chē)應(yīng)用中，運(yùn)算放大器、驅(qū)動(dòng)器和傳感器等電子產(chǎn)品常常需要雙極性電源。不過(guò)，罕有可用于負(fù)載點(diǎn)處的雙極性電源。由于這種需求以及由于缺少簡(jiǎn)便易用的解決方案，凌力爾特公司開(kāi)發(fā)了 LTC3260。

LTC3260 是一款負(fù)輸出充電泵 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，具備兩個(gè)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(fù)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(yùn)行和低噪聲恒定電流頻率模式之間切換，從而允許設(shè)計(jì)師針對(duì)應(yīng)用做出最佳權(quán)衡。

LTC3260 可用反相輸入電壓在充電泵輸出 V_OUT 端提供高達(dá) 100mA 電流。這個(gè) V_OUT 還作為負(fù) LDO 穩(wěn)壓器 LDO^- 的輸入電壓。充電泵頻率可用單個(gè)電阻器在 50kHz 至 500kHz 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。LTC3260 的每個(gè) LDO 都可支持高達(dá) 50mA 的負(fù)載。而且，每個(gè) LDO 在 50mA 時(shí)都有 300mV 壓差電壓，輸出電阻器分壓器網(wǎng)絡(luò)可用來(lái)設(shè)定輸出電壓。當(dāng)兩個(gè)穩(wěn)壓器都禁止時(shí)，停機(jī)靜態(tài)電流僅為 2µA。

圖 5：12V 輸入電源至 ±5V 輸出

結(jié)論

眾所周知，在設(shè)計(jì)之初，對(duì)于工業(yè)、醫(yī)療和汽車(chē)環(huán)境的 EMI 問(wèn)題需要嚴(yán)加注意，以確保一旦系統(tǒng)完成，能夠通過(guò) EMI 測(cè)試。直到現(xiàn)在為止，尚沒(méi)有一種必定成功的方法，能確保通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)碾娫?IC 而在最后輕松地通過(guò) EMI 測(cè)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(zhuǎn)換器，包括一個(gè)廣泛的線(xiàn)性穩(wěn)壓器系列以及 LT86xx Silent Switcher 降壓型轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)在，我們?nèi)找鏀U(kuò)大的高壓充電泵系列提供了第三種選擇。與線(xiàn)性穩(wěn)壓器相比，這類(lèi)產(chǎn)品提供高得多的效率和低得多的功耗，而且不需要應(yīng)對(duì)與開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器有關(guān)的補(bǔ)償、布局、磁場(chǎng)和 EMI 問(wèn)題。