前言：這是德州儀器工程師Robert Kollman寫的一系列關于電源設計的小貼士，現在我將其整合一下提供給電源行業的工程師以及有需要的人，希望各位讀者能夠從中得到幫助，能夠有利于自己往后的電源設計。

　　電源設計小貼士 1：為您的電源選擇正確的工作頻率

　　歡迎來到電源設計小貼士！隨著現在對更高效、更低成本電源解決方案需求的強調，我們創建了該專欄，就各種電源管理課題提出一些對您有幫助的小技巧。該專欄面向各級設計工程師。無論您是從事電源業務多年還是剛剛步入電源領域，您都可以在這里找到一些極其有用的信息，以幫助您迎接下一個設計挑戰。

　　為您的電源選擇最佳的工作頻率是一個復雜的權衡過程，其中包括尺寸、效率以及成本。通常來說，低頻率設計往往是最為高效的，但是其尺寸最大且成本也最高。雖然調高頻率可以縮小尺寸并降低成本，但會增加電路損耗。接下來，我們使用一款簡單的降壓電源來描述這些權衡過程。

　　我們以濾波器組件作為開始。這些組件占據了電源體積的大部分，同時濾波器的尺寸同工作頻率成反比關系。另一方面，每一次開關轉換都會伴有能量損耗；工作頻率越高，開關損耗就越高，同時效率也就越低。其次，較高的頻率運行通常意味著可以使用較小的組件值。因此，更高頻率運行能夠帶來極大的成本節約。

　　圖 1 顯示的是降壓電源頻率與體積的關系。頻率為 100 kHz 時，電感占據了電源體積的大部分（深藍色區域）。如果我們假設電感體積與其能量相關，那么其體積縮小將與頻率成正比例關系。由于某種頻率下電感的磁芯損耗會極大增高并限制尺寸的進一步縮小，因此在此情況下上述假設就不容樂觀了。如果該設計使用陶瓷電容，那么輸出電容體積（褐色區域）便會隨頻率縮小，即所需電容降低。另一方面，之所以通常會選用輸入電容，是因為其具有紋波電流額定值。該額定值不會隨頻率而明顯變化，因此其體積（黃色區域）往往可以保持恒定。另外，電源的半導體部分不會隨頻率而變化。這樣，由于低頻開關，無源器件會占據電源體積的大部分。當我們轉到高工作頻率時，半導體（即半導體體積，淡藍色區域）開始占據較大的空間比例。

　　圖 1 電源組件體積主要由半導體占據

　　該曲線圖顯示半導體體積本質上并未隨頻率而變化，而這一關系可能過于簡單化。與半導體相關的損耗主要有兩類：傳導損耗和開關損耗。同步降壓轉換器中的傳導損耗與 MOSFET 的裸片面積成反比關系。MOSFET 面積越大，其電阻和傳導損耗就越低。

　　開關損耗與 MOSFET 開關的速度以及 MOSFET 具有多少輸入和輸出電容有關。這些都與器件尺寸的大小相關。大體積器件具有較慢的開關速度以及更多的電容。圖 2 顯示了兩種不同工作頻率 （F） 的關系。傳導損耗 （Pcon）與工作頻率無關，而開關損耗 （Psw F1 和 Psw F2） 與工作頻率成正比例關系。因此更高的工作頻率 （Psw F2） 會產生更高的開關損耗。當開關損耗和傳導損耗相等時，每種工作頻率的總損耗最低。另外，隨著工作頻率提高，總損耗將更高。

　　但是，在更高的工作頻率下，最佳裸片面積較小，從而帶來成本節約。實際上，在低頻率下，通過調整裸片面積來最小化損耗會帶來極高成本的設計。但是，轉到更高工作頻率后，我們就可以優化裸片面積來降低損耗，從而縮小電源的半導體體積。這樣做的缺點是，如果我們不改進半導體技術，那么電源效率將會降低。

　　圖 2 提高工作頻率會導致更高的總體損耗

　　如前所述，更高的工作頻率可縮小電感體積；所需的內層芯板會減少。更高頻率還可降低對于輸出電容的要求。有了陶瓷電容，我們就可以使用更低的電容值或更少的電容。這有助于縮小半導體裸片面積，進而降低成本。

　　電源設計小貼士 2：駕馭噪聲電源

　　無噪聲電源并非是偶然設計出來的。一種好的電源布局是在設計時最大程度的縮短實驗時間。花費數分鐘甚至是數小時的時間來仔細查看電源布局，便可以省去數天的故障排查時間。

　　圖 1 顯示的是電源內部一些主要噪聲敏感型電路的結構圖。將輸出電壓與一個參考電壓進行比較以生成一個誤差信號，然后再將該信號與一個斜坡相比較，以生成一個用于驅動功率級的 PWM（脈寬調制）信號。

　　電源噪聲主要來自三個地方：誤差放大器輸入與輸出、參考電壓以及斜坡。對這些節點進行精心的電氣設計和物理設計有助于最大程度地縮短故障診斷時間。一般而言，噪聲會與這些低電平電路電容耦合。一種卓越的設計可以確保這些低電平電路的緊密布局，并遠離所有開關波形。接地層也具有屏蔽作用。

　　圖 1 低電平控制電路的諸多噪聲形成機會

　　誤差放大器輸入端可能是電源中最為敏感的節點，因為其通常具有最多的連接組件。如果將其與該級的極高增益和高阻抗相結合，后患無窮。在布局過程中，您必須最小化節點長度，并盡可能近地將反饋和輸入組件靠近誤差放大器放置。如果反饋網絡中存在高頻積分電容，那么您必須將其靠近放大器放置，其他反饋組件緊跟其后。并且，串聯電阻-電容也可能形成補償網絡。最理想的結果是，將電阻靠近誤差放大器輸入端放置，這樣，如果高頻信號注入該電阻-電容節點時，那么該高頻信號就不得不承受較高的電阻阻抗—而電容對高頻信號的阻抗則很小。

　　斜坡是另一個潛在的會帶來噪聲問題的地方。斜坡通常由電容器充電（電壓模式）生成，或由來自于電源開關電流的采樣（電流模式）生成。通常，電壓模式斜坡并不是一個問題，因為電容對高頻注入信號的阻抗很小。而電流斜坡卻較為棘手，因為存在了上升邊沿峰值、相對較小的斜坡振幅以及功率級寄生效應。

　　圖 2 顯示了電流斜坡存在的一些問題。第一幅圖顯示了上升邊沿峰值和隨后產生的電流斜坡。比較器（根據其不同速度）具有兩個電壓結點 （potential trip points），結果是無序控制運行，聽起來更像是煎熏肉的聲音。

　　利用控制 IC 中的上升邊沿消隱可以很好地解決這一問題，其忽略了電流波形的最初部分。波形的高頻濾波也有助于解決該問題。同樣也要將電容器盡可能近地靠近控制 IC 放置。正如這兩種波形表現出來的那樣，另一種常見的問題是次諧波振蕩。這種寬－窄驅動波形表現為非充分斜率補償。向當前斜坡增加更多的電壓斜坡便可以解決該問題。

　　圖 2 兩種常見的電流模式噪聲問題

　　盡管您已經相當仔細地設計了電源布局，但是您的原型電源還是存在噪聲。這該怎么辦呢？首先，您要確定消除不穩定因素的環路響應不存在問題。有趣的是，噪聲問題可能會看起來像是電源交叉頻率上的不穩定。但真正的情況是該環路正以其最快響應速度糾出注入誤差。同樣，最佳方法是識別出噪聲正被注入下列三個地方之一：誤差放大器、參考電壓或斜坡。您只需分步解決便可！

　　第一步是檢查節點，看斜坡中是否存在明顯的非線性，或者誤差放大器輸出中是否存在高頻率變化。如果檢查后沒有發現任何問題，那么就將誤差放大器從電路中取出，并用一個清潔的電壓源加以代替。這樣您應該就能夠改變該電壓源的輸出，以平穩地改變電源輸出。如果這樣做奏效的話，那么您就已經將問題范圍縮小至參考電壓和誤差放大器了。

　　有時，控制 IC 中的參考電壓易受開關波形的影響。利用添加更多（或適當）的旁路可能會使這種狀況得到改善。另外，使用柵極驅動電阻來減緩開關波形也可能會有助于解決這一問題。如果問題出在誤差放大器上，那么降低補償組件阻抗會有所幫助，因為這樣降低了注入信號的振幅。如果所有這些方法都不奏效，那么就從印刷電路板將誤差放大器節點去除。對補償組件進行架空布線 （air wiring） 可以幫助我們識別出哪里有問題。

　　電源設計小貼士 3：阻尼輸入濾波器（1）

　　開關調節器通常優于線性調節器，因為它們更高效，而開關拓撲結構則十分依賴輸入濾波器。這種電路元件與電源的典型負動態阻抗相結合，可以誘發振蕩問題。本文將闡述如何避免此類問題的出現。

　　一般而言，所有的電源都在一個給定輸入范圍保持其效率。因此，輸入功率或多或少地與輸入電壓水平保持恒定。圖 1 顯示的是一個開關電源的特征。隨著電壓的下降，電流不斷上升。

　　圖 1 開關電源表現出的負阻抗

　　負輸入阻抗

　　電壓-電流線呈現出一定的斜率，其從本質上定義了電源的動態阻抗。這根線的斜率等于負輸入電壓除以輸入電流。也就是說，由 Pin = V ? I，可以得出 V = Pin/I；并由此可得 dV/dI = –Pin/I2 或 dV/dI ≈ –V/I。

　　該近似值有些過于簡單，因為控制環路影響了輸入阻抗的頻率響應。但是很多時候，當涉及電流模式控制時這種簡單近似值就已足夠了。

　　為什么需要輸入濾波器

　　開關調節器輸入電流為非連續電流，并且在輸入電流得不到濾波的情況下其會中斷系統的運行。大多數電源系統都集成了一個如圖 2 所示類型的濾波器。電容為功率級的開關電流提供了一個低阻抗，而電感則為電容上的紋波電壓提供了一個高阻抗。該濾波器的高阻抗使流入源極的開關電流最小化。在低頻率時，該濾波器的源極阻抗等于電感阻抗。在您升高頻率的同時，電感阻抗也隨之增加。在極高頻率時，輸出電容分流阻抗。在中間頻率時，電感和電容實質上就形成了一種并聯諧振電路，從而使電源阻抗變高，呈現出較高的電阻。

　　大多數情況下，峰值電源阻抗可以通過首先確定濾波器 （Zo） 的特性阻抗來估算得出，而濾波器特性阻抗等于電感除以電容所得值的平方根。這就是諧振下電感或者電容的阻抗。接下來，對電容的等效串聯電阻 （ESR） 和電感的電阻求和。這樣便得到電路的 Q 值。峰值電源阻抗大約等于 Zo 乘以電路的 Q 值。

　　圖 2 諧振時濾波器的高阻抗和高阻性

　　振蕩

　　但是，開關的諧振濾波器與電源負阻抗耦合后會出現問題。圖 3 顯示的是在一個電壓驅動串聯電路中值相等、極性相反的兩個電阻。這種情況下，輸出電壓趨向于無窮大。當您獲得由諧振輸入濾波器等效電阻所提供電源的負電阻時，您也就會面臨一個類似的電源系統情況；這時，電路往往就會出現振蕩。

　　圖 3 與其負阻抗耦合的開關諧振濾波器可引起不必要的振蕩

　　設計穩定電源系統的秘訣是保證系統電源阻抗始終大大小于電源的輸入阻抗。我們需要在最小輸入電壓和最大負載（即最低輸入阻抗）狀態下達到這一目標。

　　電源設計小貼士 4：阻尼輸入濾波器（2）

　　我們討論了輸入濾波器的源極阻抗如何變得具有電阻性，以及其如何同開關調節器的負輸入阻抗相互 作用。在極端情況下，這些阻抗振幅可以相等，但是其符號相反從而構成了一個振蕩器。業界通用的標準是輸入濾波器的源極阻抗 應至少比開關調節器的輸入阻抗低 6dB，作為最小化振蕩概率的安全裕度。

　　輸入濾波器設計通常以根據紋波電流額定值或保持要求選擇輸入電容（圖 1 所示 CO）開始的。第二步通常包括根據系統的 EMI 要求選擇電感 （LO）。正如我們上個月討論的那樣，在諧振附近，這兩個組件的源極阻抗會非常高，從而導致系統不穩定。圖 1 描述了 一種控制這種阻抗的方法，其將串聯電阻 （RD） 和電容 （CD） 與輸入濾波器并聯放置。利用一個跨接 CO 的電阻，可以阻尼濾波器。但 是，在大多數情況下，這樣做會導致功率損耗過高。另一種方法是在濾波器電感的兩端添加一個串聯連接的電感和電阻。

　　圖 1 CD 和 RD 阻尼輸出濾波器源極阻抗

　　選擇阻尼電阻

　　有趣的是，一旦選擇了四個其他電路組件，那么就會有一個阻尼電阻的最佳選擇。圖 2 顯示的是不同阻尼電阻情況下這類濾波 器的輸出阻抗。紅色曲線表示過大的阻尼電阻。請思考一下極端的情況，如果阻尼電阻器開啟，那么峰值可能會非常的高，且僅由 CO 和 LO 來設定。藍色曲線表示阻尼電阻過低。如果電阻被短路，則諧振可由兩個電容和電感的并聯組合共同設置。綠色曲線代表 最佳阻尼值。利用一些包含閉型解的計算方法（見參考文獻 1）就可以很輕松地得到該值。

　　圖 2 在給定 CD-CO 比的情況下，有一個最佳阻尼電阻

　　選擇組件

　　在選擇阻尼組件時，圖 3 非常有用。該圖是通過使用 RD Middlebrook 建立的閉型解得到的。橫坐標為阻尼濾波器輸出阻抗與未阻 尼濾波器典型阻抗 （ZO = （LO/CO）1/2） 的比?？v坐標值有兩個：阻尼電容與濾波器電容 （N） 的比；以及阻尼電阻同該典型阻抗的比。利 用該圖，首先根據電路要求來選擇 LO 和 CO，從而得到 ZO。隨后，將最小電源輸入阻抗除以二，得到您的最大輸入濾波器源極阻抗 （6dB）。

　　最小電源輸入阻抗等于 Vinmin2/Pmax。只需讀取阻尼電容與濾波器電容的比以及阻尼電阻與典型阻抗的比， 您便可以計算得到 一個橫坐標值。例如，一個具有 10μH 電感和 10μH 電容的濾波器具有 Zo = （10μH/10 μF）1/2 = 1 Ohm 的典型阻抗。如果它正對一個 12V 最小輸入的 12W 電源進行濾波，那么該電源輸入阻抗將為 Z = V2/P = 122/12 = 12 Ohms。這樣，最大源極阻抗應等于該值的二分之一 ，也即 6 Ohms?，F在，在 6/1 = 6 的 X 軸上輸入該圖，那么，CD/CO = 0.1，即 1 μF，同時 RD/ZO = 3，也即 3 Ohms。

　　圖 3 選取 LO 和 CO 后，便可從最大允許源極阻抗范圍內選擇 CD 和 RD。

　　電源設計小貼士 5：降壓—升壓電源設計中降壓控制器的使用

　　電子電路通常都工作在正穩壓輸出電壓下，而這些電壓一般都是由降壓穩壓器來提供的。如果同時還需要負輸出電壓，那么在降壓—升壓拓撲中就可以配置相同的降壓控制器。負輸出電壓降壓—升壓有時稱之為負反向，其工作占空比為 50%，可提供相當于輸入電壓但極性相反的輸出電壓。其可以隨著輸入電壓的波動調節占空比，以“降壓”或“升壓”輸出電壓來維持穩壓。

　　圖 1 顯示了一款精簡型降壓—升壓電路，以及電感上出現的開關電壓。這樣一來該電路與標準降壓轉換器的相似性就會頓時明朗起來。實際上，除了輸出電壓和接地相反以外，它和降壓轉換器完全一樣。這種布局也可用于同步降壓轉換器。這就是與降壓或同步降壓轉換器端相類似的地方，因為該電路的運行與降壓轉換器不同。

　　FET 開關時出現在電感上的電壓不同于降壓轉換器的電壓。正如在降壓轉換器中一樣，平衡伏特-微秒 （V-μs） 乘積以防止電感飽和是非常必要的。當 FET 為開啟時（如圖 1 所示的 ton 間隔），全部輸入電壓被施加至電感。這種電感“點”側上的正電壓會引起電流斜坡上升，這就帶來電感的開啟時間 V-μs 乘積。FET 關閉 （toff） 期間，電感的電壓極性必須倒轉以維持電流，從而拉動點側為負極。電感電流斜坡下降，并流經負載和輸出電容，再經二極管返回。電感關閉時V-μs 乘積必須等于開啟時 V-μs 乘積。由于 Vin 和 Vout 不變，因此很容易便可得出占空比 （D） 的表達式：D=Vout/（Vout “ Vin）。這種控制電路通過計算出正確的占空比來維持輸出電壓穩壓。上述表達式和圖 1 所示波形均假設運行在連續導電模式下。

　　圖 1 降壓—升壓電感要求平衡其伏特-微秒乘積

　　降壓—升壓電感必須工作在比輸出負載電流更高的電流下。其被定義為 IL = I/（1-D），或只是輸入電流與輸出電流相加。對于和輸入電壓大小相等的負輸出電壓（D = 0.5）而言，平均電感電流為輸出的 2 倍。

　　有趣的是，連接輸入電容返回端的方法有兩種，其會影響輸出電容的 rms 電流。典型的電容布局是在 +Vin 和 Gnd 之間，與之相反，輸入電容可以連接在 +Vin和 ”V 之間。利用這種輸入電容配置可降低輸出電容的rms電流。然而，由于輸入電容連接至 “Vout，因此 ”Vout 上便形成了一個電容性分壓器。這就在控制器開始起作用以前，在開啟時間的輸出上形成一個正峰值。為了最小化這種影響，最佳的方法通常是使用一個比輸出電容要小得多的輸入電容，請參見圖 2 所示的電路。輸入電容的電流在提供 dc 輸出電流和吸收平均輸入電流之間相互交替。rms 電流電平在最高輸入電流的低輸入電壓時最差。因此，選擇電容器時要多加注意，不要讓其 ESR 過高。陶瓷或聚合物電容器通常是這種拓撲較為合適的選擇。

　　圖 2 降壓控制器在降壓—升壓中的雙重作用

　　必須要選擇一個能夠以最小輸入電壓減去二極管壓降上電的控制器，而且在運行期間還必須能夠承受得住 Vin 加 Vout 的電壓。FET 和二極管還必須具有適用于這一電壓范圍的額定值。通過連接輸出接地的反饋電阻器可實現對輸出電壓的調節，這是由于控制器以負輸出電壓為參考電壓。只需精心選取少量組件的值，并稍稍改動電路，降壓控制器便可在負輸出降壓—升壓拓撲中起到雙重作用。

　　電源設計小貼士 6：精確測量電源紋波

　　精確地測量電源紋波本身就是一門藝術。在圖 1 所示的示例中，一名初級工程師完全錯誤地使用了一臺示波器。他的第一個錯誤是使用了一支帶長接地引線的示波器探針；他的第二個錯誤是將探針形成的環路和接地引線均置于電源變壓器和開關元件附近；他的最后一個錯誤是允許示波器探針和輸出電容之間存在多余電感。該問題在紋波波形中表現為高頻拾取。在電源中，存在大量可以很輕松地與探針耦合的高速、大信號電壓和電流波形，其中包括耦合自電源變壓器的磁場，耦合自開關節點的電場，以及由變壓器互繞電容產生的共模電流。

　　圖 1 錯誤的紋波測量得到的較差的測量結果

　　利用正確的測量方法可以大大地改善測得紋波結果。首先，通常使用帶寬限制來規定紋波，以防止拾取并非真正存在的高頻噪聲。我們應該為用于測量的示波器設定正確的帶寬限制。其次，通過取掉探針“帽”，并構成一個拾波器（如圖 2 所示），我們可以消除由長接地引線形成的天線。將一小段線纏繞在探針接地連接點周圍，并將該接地連接至電源。這樣做可以縮短暴露于電源附近高電磁輻射的端頭長度，從而進一步減少拾波。

　　最后，在隔離電源中，會產生大量流經探針接地連接點的共模電流。這就在電源接地連接點和示波器接地連接點之間形成了壓降，從而表現為紋波。要防止這一問題的出現，我們就需要特別注意電源設計的共模濾波。另外，將示波器引線纏繞在鐵氧體磁心周圍也有助于最小化這種電流。這樣就形成了一個共模電感器，其在不影響差分電壓測量的同時，還減少了共模電流引起的測量誤差。圖 2 顯示了該完全相同電路的紋波電壓，其使用了改進的測量方法。這樣，高頻峰值就被真正地消除了。

　　圖 2 四個輕微的改動便極大地改善了測量結果

　　實際上，集成到系統中以后，電源紋波性能甚至會更好。在電源和系統其他組件之間幾乎總是會存在一些電感。這種電感可能存在于布線中，抑或只有蝕刻存在于 PWB 上。另外，在芯片周圍總是會存在額外的旁路電容，它們就是電源的負載。這二者共同構成一個低通濾波器，進一步降低了電源紋波和/或高頻噪聲。在極端情況下，電流短時流經 15 nH 電感和 10 μF 旁路電容的一英寸導體時，該濾波器的截止頻率為 400 kHz。這種情況下，就意味著高頻噪聲將會得到極大降低。許多情況下，該濾波器的截止頻率會在電源紋波頻率以下，從而有可能大大降低紋波。經驗豐富的工程師應該能夠找到在其測試過程中如何運用這種方法的途徑。

　　電源設計小貼士 7：高效驅動 LED 離線式照明

　　用切實可行的螺紋旋入式 LED 來替代白熾燈泡可能還需要數年的時間，而在建筑照明中 LED 的使用正在不斷增長，其具有更高的可靠性和節能潛力。同大多數電子產品一樣，其需要一款電源來將輸入功率轉換為 LED 可用的形式。在路燈應用中，一種可行的配置是創建 300V/0.35 安培負載的 80 個串聯的 LED。在選擇電源拓撲結構時，需要制定隔離和功率因數校正 （PFC） 相關要求。隔離需要大量的安全權衡研究，其中包括提供電擊保護需求和復雜化電源設計之間的對比權衡。在這種應用中，LED 上存在高壓，一般認為隔離是非必需的，而 PFC 才是必需的，因為在歐洲 25 瓦以上的照明均要求具有 PFC 功能，而這款產品正是針對歐洲市場推出的。

　　就這種應用而言，有三種可選電源拓撲：降壓拓撲、轉移模式反向拓撲和轉移模式 （TM） 單端初級電感轉換器 （SEPIC） 拓撲。當 LED 電壓大約為80 伏特時，降壓拓撲可以非常有效地被用于滿足諧波電流要求。在這種情況下，更高的負載電壓將無法再繼續使用降壓拓撲。那么，此時較為折中的方法就是使用反向拓撲和 SEPIC 拓撲。SEPIC 具有的優點是，其可鉗制功率半導體器件的開關波形，允許使用較低的電壓，從而使器件更為高效。在該應用中，可以獲得大約 2% 的效率提高。另外，SEPIC 中的振鈴更少，從而使 EMI 濾波更容易。圖 1 顯示了這種電源的原理圖。

　　圖 1 轉移模式 SEPIC 發揮了簡單 LED 驅動器的作用

　　該電路使用了一個升壓 TM PFC 控制器來控制輸入電流波形。該電路以離線為 C6 充電作為開始。一旦開始工作，控制器的電源就由一個 SEPIC 電感上的輔助繞組來提供。一個相對較大的輸出電容將 LED 紋波電流限定在 DC 電流的20%。補充說明一下，TM SEPIC中的 AC 電通量和電流非常高，需要漆包絞線和低損耗內層芯板來降低電感損耗。

　　圖 2 和圖 3 顯示了與圖 1 中原理圖相匹配的原型電路的實驗結果。與歐洲線路范圍相比，其效率非常之高，最高可達 92%。這一高效率是通過限制功率器件上的振鈴實現的。另外，正如我們從電流波形中看到的一樣，在 96% 效率以上時功率因數非常好。有趣的是，該波形并非純粹的正弦曲線，而是在上升沿和下降沿呈現出一些斜度，這是電路沒有測量輸入電流而只對開關電流進行測量的緣故。但是，該波形還是足以通過歐洲諧波電流要求的。

　　圖 2 TM SEPIC 具有良好的效率和高 PFC 效率

　　圖 3 線路電流輕松地通過 EN61000-3-2 Class C 標準

　　電源設計小貼士 8：通過改變電源頻率來降低 EMI 性能

　　在測定 EMI 性能時，您是否發現無論您采用何種方法濾波都依然會出現超出規范幾 dB 的問題呢？有一種方法或許可以幫助您達到 EMI 性能要求，或簡化您的濾波器設計。這種方法涉及了對電源開關頻率的調制，以引入邊帶能量，并改變窄帶噪聲到寬帶的發射特征，從而有效地衰減諧波峰值。需要注意的是，總體 EMI 性能并沒有降低，只是被重新分布了。

　　利用正弦調制，可控變量的兩個變量為調制頻率 （fm） 以及您改變電源開關頻率 （Δf） 的幅度。調制指數 （Β） 為這兩個變量的比：

　　圖 1 顯示了通過正弦波改變調制指數產生的影響。當 Β=0 時，沒有出現頻移，只有一條譜線。當 Β=1 時，頻率特征開始延伸，且中心頻率分量下降了 20%。當 Β=2 時，該特征將進一步延伸，且最大頻率分量為初始狀態的 60%。頻率調制理論可以用于量化該頻譜中能量的大小。Carson 法則表明大部分能量都將被包含在 2 * （Δf + fm） 帶寬中。

　　圖 1 調制電源開關頻率延伸了 EMI 特征

　　圖 2 顯示了更大的調制指數，并表明降低 12dB 以上的峰值 EMI 性能是有可能的。

　　圖 2 更大的調制指數可以進一步降低峰值 EMI 性能

　　選取調制頻率和頻移是兩個很重要的方面。首先，調制頻率應該高于 EMI 接收機帶寬，這樣接收機才不會同時對兩個邊帶進行測量。但是，如果您選取的頻率太高，那么電源控制環路可能無法完全控制這種變化，從而帶來相同速率下的輸出電壓變化。另外，這種調制還會引起電源中出現可聞噪聲。因此，我們選取的調制頻率一般不能高出接收機帶寬太多，但要大于可聞噪聲范圍。很顯然，從圖 2 我們可以看出，較大地改變工作頻率更為可取。然而，這樣會影響到電源設計，意識到這一點非常重要。也就是說，為最低工作頻率選擇磁性元件。此外，輸出電容還需要處理更低頻率運行帶來的更大的紋波電流。

　　圖 3 對有頻率調制和無頻率調制的 EMI 性能測量值進行了對比。此時的調制指數為 4，正如我們預料的那樣，基頻下 EMI 性能大約降低了 8dB。其他方面也很重要。諧波被抹入 （smear into） 同其編號相對應的頻帶中，即第三諧波延展至基頻的三倍。這種情況會在一些較高頻率下重復，從而使噪聲底限大大高于固定頻率的情況。因此，這種方法可能并不適用于低噪聲系統。但是，通過增加設計裕度和最小化 EMI 濾波器成本，許多系統都已受益于這種方法。

　　圖 3 改變電源頻率降低了基頻但提高了噪聲底限

　　電源設計小貼士 9：估算表面貼裝半導體的溫升

　　過去估算半導體溫升十分簡單。您只需計算出組件的功耗，然后采用冷卻電路電模擬即可確定所需散熱片的類型?，F在出于對尺寸和成本因素的考慮，人們渴望能夠去除散熱片，這就使得這一問題復雜化了。貼裝在散熱增強型封裝中的半導體要求電路板能夠起到散熱片的作用，并提供所有必需的冷卻功能。如圖 1 所示，熱量經過一塊金屬貼裝片和封裝流入印刷線路板 （PWB）。然后，熱量由側面流經 PWB 線跡，并通過自然對流經電路板表面擴散到周圍的環境中。影響裸片溫升的重要因素是 PWB 中的銅含量以及用于對流導熱的表面面積。

　　圖 1 熱量由側面流經 PWB 線跡，然后從 PWB 表面擴散至周圍環境。

　　半導體產品說明書通常會列出某種 PWB 結構下結點至周圍環境的熱阻。這就是說，設計人員只需將這種熱阻乘以功耗，便可計算出溫升情況。但是，如果設計并沒有具體的結構，或者如果需要進一步降低熱阻，那么就會出現許多問題。

　　圖 2 所示為熱流問題的簡化電模擬，我們可據此深入分析。IC 電源由電流源表示，而熱阻則由電阻表示。在各電壓下對該電路求解，其提供了對溫度的模擬。從結點至貼裝面存在熱阻，同時遍布于電路板的橫向電阻和電路板表面至周圍環境的電阻共同形成一個梯形網絡。這種模型假設1）電路板為垂直安裝，2）無強制對流或輻射制冷，所有熱流均出現在電路板的銅中，3）在電路板兩側幾乎沒有溫差。

　　圖 2 熱流電氣等效簡化了溫升估算

　　圖 3 所示為增加 PWB 中的銅含量對提高熱阻的影響。將 1.4 mils 銅（雙面，半盎司）增加到 8.4 mils（4 層，1.5 盎司），就有可能將熱阻提高 3 倍。圖中兩條曲線：一條表示熱流進入電路板、直徑為 0.2 英寸的小尺寸封裝；另一條表示熱流進入電路板、直徑為 0.4 英寸的大尺寸封裝。這兩條曲線均適用于 9 平方英寸的 PWB。這兩條曲線均同標稱數據緊密相關，同時都有助于估算改變產品說明書電路板結構所產生的影響。但是使用這一數據時需要多加謹慎，其假設 9 平方英寸 PWB 內沒有其他功耗，而實際上并非如此。

　　圖 3 熱流電氣等效簡化了溫升估算

　　電源設計小貼士 10：輕松估計負載瞬態響應

???????? 本篇電源設計小貼士介紹了一種通過了解控制帶寬和輸出濾波器電容特性估算電源瞬態響應的簡單方法。該方法充分利用了這樣一個事實，即所有電 路的閉環輸出阻抗均為開環輸出阻抗除以 1 加環路增益，或簡單表述為：

　　圖 1 以圖形方式說明了上述關系，兩種阻抗均以 dB-Ω 或 20*log ［Z］ 為單位。在開環曲線上的低頻率區域內，輸出阻抗取決于輸出電感阻抗和電感。當輸 出電容和電感發生諧振時，形成峰值。高頻阻抗取決于電容輸出濾波器特性、等效串聯電阻 （ESR） 以及等效串聯電感 （ESL）。將開環阻抗除以 1 加環路增益 即可計算得出閉環輸出阻抗。

　　由于該圖形以對數表示，即簡單的減法，因此在增益較高的低頻率區域阻抗會大大降低；在增益較少的高頻率區域閉環和開環阻抗基本上是一樣的。在 此需要說明如下要點：1）峰值環路阻抗出現在電源交叉頻率附近，或出現在環路增益等于 1（或 0dB）的地方；以及 2）在大部分時間里，電源控制帶寬都將會 高于濾波器諧振，因此峰值閉環阻抗將取決于交叉頻率時的輸出電容阻抗。

　　圖 1閉環輸出阻抗峰值 Zout 出現在控制環路交叉頻率處

　　一旦知道了峰值輸出阻抗，就可通過負載變動幅度與峰值閉環阻抗的乘積來輕松估算瞬態響應。有幾點注意事項需要說明一下，由于低相位裕度會引起 峰化，因此實際的峰值可能會更高些。然而，就快速估計而言，這種影響可以忽略不計 ［1］ 。

　　第二個需要注意的事項與負載變化幅度上升有關。如果負載變化幅度變化緩慢（dI/dt較低），則響應取決于與上升時間有關的低頻率區域閉環輸出阻抗； 如果負載變化幅度變化極為快速，則輸出阻抗將取決于輸出濾波器 ESL。如果確實如此，則可能需要更多的高頻旁通。最后，就極高性能的系統而言，電源 的功率級可能會限制響應時間，即電感器中的電流可能不能像控制環路期望的那樣快速響應，這是因為電感和施加的電壓會限制電流轉換速率。

　　下面是一個如何使用上述關系的示例。問題是根據 200kHz 開關電源 10 amp 變化幅度允許范圍內的 50mV 輸出變化挑選一個輸出電容。所允許的峰值輸 出阻抗為：Zout=50 mV / 10 amps 或 5 毫歐。這就是最大允許輸出電容 ESR。接下來就是建立所需的電容。幸運的是，ESR 和電容均為正交型，可單獨處理。一 個高 （Aggressive） 電源控制環路帶寬可以是開關頻率的 1/6 或 30 kHz。于是在 30 kHz 時輸出濾波電容就需要一個不到 5 毫歐的電抗，或高于 1000uF 的電容。 圖 2 顯示了在 5 毫歐 ESR、1000uF 電容以及 30 kHz 電壓模式控制條件時這一問題的負載瞬態仿真。就校驗這一方法是否有效的 10amp 負載變動幅度而言， 輸出電壓變化大約為 52mV。

　　圖 2 仿真校驗估計負載瞬態性能