在汽車、醫療、電信、工業、游戲和消費類音頻/視頻等應用的嵌入式系統中，需要大電流的數字 IC（例如 FPGA 和 ASIC）正在成為一個越來越常見的核心組件。這樣應用中有許多是任務關鍵型應用（例如汽車駕駛輔助系統 [ADAS]）和高可靠性應用（例如數據中心）。

除電流要求外，這些低電壓器件還對電源軌的公差規格提出了嚴格的要求。提供高效、準確、快速瞬態性能、穩定和低噪聲的電源對于系統性能和完整性至關重要。

傳統的開關穩壓器控制器和電源子系統都有潛在的噪聲問題，這些噪聲出現在輸出軌上，或以輻射電磁干擾 (EMI) 和射頻干擾 (RFI) 的形式出現，此外，還有瞬態響應不足和布局局限性等問題。為了最大限度減少噪聲，一些應用使用小型、安靜的低壓差 (LDO) 穩壓器，與早期的 LDO 穩壓器相比，效率有所提高。然而，即使是這些 LDO 穩壓器，通常也無法滿足系統效率要求，從而導致散熱問題。

開關穩壓器是 LDO 穩壓器的高效替代方案，但這些器件由于具有時鐘和開關功能而天生就有高噪聲問題。如果設計人員想要充分利用這些開關器件，就需要減少這些噪聲。

幸運的是，可以采用一些新的方法在噪聲與效率之間取得平衡。本文將介紹電源轉換設計方面的最新創意，這些創新具有高效率和非常小的空間需求，并大幅減少了開關穩壓器的噪聲。文中將探討創新的開關穩壓器如何滿足個位數電壓、10 A 以下范圍內負載的多個目標，并以 Analog Devices 推出的 LTC33xx 系列為例介紹微型 Silent Switcher IC。

電流/電壓的要求

隨著晶體管和 IC 在 20 世紀下半葉問世并不斷改進，它們展示了很多優點，其中之一是，與其所取代的真空管相比各項功能的功率需求非常低——很可能是前者的 100 分之一甚至更少。然而，這一進步很快導致每個器件和電路板的功能密度增大，以至于 IC 現在每個電源軌都需要數十 A 的電流，而且往往多個電源軌都是如此。

在需要這些大電流的 IC 中，最終必須以熱量形式耗散大量電能的是現場可編程門陣列 (FPGA) 和應用特定的 IC (ASIC)。這兩者都廣泛應用于整個電子行業的各種嵌入式器件，包括汽車、醫療、工業、通信、游戲和消費類音頻/視頻器件。

FPGA 或 ASIC 所需的電流可以由 AC/DC 轉換器（用于線路供電的器件）或 DC/DC 轉換器（用于電池供電的器件）提供。在這兩種情況下，后續都需要使用一個 DC/DC 降壓穩壓器，以所需的電流水平為負載提供并管理個位數的電源軌電壓。

為了提供所需的電源，其中一種方法是使用單個 DC/DC 降壓穩壓器支持所有的電路板器件，并將其放在 PC 板的邊角，以幫助管理散熱問題并簡化 DC/DC 系統級架構。

不過，這種聽起來簡單的解決方案也有其問題：

首先，由于距離和高電流水平，穩壓器與負載之間會不可避免地出現 IR 壓降（ΔV 壓降 = 負載電流 I × 印制線電阻 [R]）。解決這一問題的辦法是增大 PC 板印制線的寬度或厚度，或者使用立式母線，但這兩種辦法都會占用寶貴的電路板空間，并增加物料清單 (BOM) 的項目。

在負載處使用遠程電壓感測是一種克服 IR 壓降的技術，但只適用于單點、非分散的負載。這種技術還會帶來新的潛在振蕩問題，因為更長的電源軌和感測引線的電感會影響穩壓器和電源軌的瞬態性能。

最后，也是通常最難解決的問題是，更長的電源軌還會拾取更多的 EMI/RFI 噪聲，或者更容易沿其長度方向輻射噪聲，就像天線一樣。解決辦法通常需要采用額外的旁路電容器、在線鐵氧體磁珠以及其他措施。根據其幅度和頻率，這種噪聲會對負載的可靠運行產生不利影響，并且難以滿足關于噪聲排放的各種監管規定。

要噪聲還是要效率的兩難選擇

需要注意的是，DC/DC 穩壓器的“要噪聲還是要效率”兩難選擇不同于工程設計中通常進行的權衡。后者往往是評估相關利弊，并在各種有利與不利因素之間找到平衡的“甜點”。

這種情況有什么不同呢？在大多數權衡場景中，設計人員可以沿著連續的權衡軸有意地犧牲部分所需的參數值來換取更多的另一個參數值（圖 1，上圖）。

圖 1：在大多數設計情況中，工程師可以進行評估，然后沿著一個相當連續的路徑進行各種性能權衡（上圖），但對于開關穩壓器與 LDO 的噪聲/效率，設計最終只能二選一，幾乎沒有“中間地帶”（下圖）。（圖片來源：Bill Schweber）

例如，設計人員可以選擇一個消耗更多電流（缺點）的運算放大器，以提供比其他運算放大器更高的壓擺率（有點）；在應用中作出這種權衡是可接受的，也是必要的。

但對于開關穩壓器和 LDO，它們的噪聲和效率屬性已在很大程度上“固化”于其結構中。例如，設計人員不能選擇接受一個噪聲增加 20% 的 LDO，以換取 10% 的效率提升——這種類型的權衡不存在。事實上，這種屬性權衡跨度中存在一個缺口（圖 1，下圖）。

Silent Switcher 穩壓器解決了這一權衡難題

另一種通常更好的解決辦法是在盡可能靠近負載 IC 的位置，使用單獨的 DC/DC 穩壓器。這樣可以最大限度減小 IR 壓降、PC 板基底面以及電源軌噪聲拾取和輻射。不過，為使這種方法可行，就必須采用可以放置于負載旁但依然滿足所有電流要求的小巧、高效、低噪聲穩壓器。

這是許多 Silent Switcher 穩壓器能解決問題的原因所在。這些穩壓器采用多項設計創新，不僅能以幾 A 到 10 A 的電流水平提供個位數的電壓輸出，同時還能實現極低的噪聲。

這些穩壓器利用 Silent Switcher 1（第一代）和 Silent Switcher 2（第二代）器件，改變了人們對 LDO 與開關穩壓器之間差距的傳統認知。這些器件的設計人員發現了多個噪聲源，并設計了方法來減弱每個來源的噪聲。

請注意，Silent Switcher 穩壓器不使用眾所周知的合法“擴頻”技術，也就是在時鐘信號中加入偽隨機噪聲。這樣可以拓寬噪聲頻譜，同時降低其在時鐘頻率下的振幅及其諧波。盡管使用擴頻時鐘有助于滿足監管限制，但不能減少總噪聲能量，事實上，這樣可能導致部分頻譜中產生一些噪聲，進而影響電路性能。

Silent Switcher 1 器件的優點包括低 EMI、高效率和高開關頻率，后者可將許多殘余噪聲移出會干擾系統運行或產生監管問題的頻譜部分。Silent Switcher 2 則在 Silent Switcher 1 技術的所有特性之外增加了一些優點，如集成式精密電容器、更小的解決方案尺寸，以及消除了對 PC 板布局的敏感性。

由于極小的外形尺寸（僅幾毫米 [mm] 見方）和高效率，這些開關可以置于非常靠近負載 FPGA 或 ASIC 的位置，因此最大限度提高了性能，并消除了規格書性能規格與實際使用情況之間的不確定性。它們改變了選擇接受更多噪聲還是更低效率的“二元”困境，使設計人員能夠在低噪聲與高效率這兩種屬性之間做到魚與熊掌兼得。

Silent Switcher 是如何實現這些優點的？其間的秘訣在于采用多層面的方法：

開關模式電源產生噪聲的主要原因是開關電流，而不是穩態電流。在傳統開關穩壓器的拓撲中，有一個被稱為熱環路的電流路徑。此熱環路并不是一個獨立的電流環路，而是由兩個真實電流環路的某些部分組成的虛擬電流環路（圖 2）。

圖 2：常用開關穩壓器拓撲具有一個虛擬電流環路，稱為熱環路；它由兩個真實電流環路的某些部分組成，并具有開關電流。（圖片來源：Analog Devices）

Analog Devices 的 Silent Switcher 2 技術在 IC 封裝中集成了輸入電容器，以盡可能減小關鍵熱環路的尺寸。此外，通過將熱環路拆分成兩個對稱的形狀，產生了兩個極性相反的磁場，輻射噪聲在很大程度上得以自行抵消。

第二代架構支持快速切換邊緣，因此能夠在高開關頻率下實現高效率，同時實現良好的 EMI 性能。DC 輸入電壓 (VIN) 采用內部陶瓷電容器，可確保所有快速 AC 電流環路夠小，從而提高 EMI 性能。

Silent Switcher 架構采用專有的設計和封裝技術，可在極高頻率下最大程度提升效率并支持超低 EMI 性能，以極其緊湊和穩健的設計，輕松通過了 CISPR 25 Class 5 峰值 EMI 限制。

它采用有源電壓定位 (AVP) 技術，其中輸出電壓取決于負載電流。在輕負載時，將輸出電壓調節到標稱值以上，而在滿負荷時，將輸出電壓調節到標稱值以下。對 DC 負載調節進行了調整，以提高瞬態性能并降低輸出電容器要求。

Silent Switcher 的眾多系列

Silent Switcher 穩壓器分為許多系列和型號，每個系列具有不同的額定電壓/電流。其他一些考慮因素因型號而異，例如固定輸出還是可調輸出。LTC33xx 系列的成員包括：

LTC3307：5 V、3 A 同步降壓 Silent Switcher，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝

LTC3308A：5 V、4 A 同步降壓 Silent Switcher，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝

LTC3309A：5 V、6 A 同步降壓 Silent Switcher，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝

LTC3310：5 V、10 A 同步降壓 Silent Switcher 2，采用 3 mm × 3 mm LQFN 封裝

更仔細地觀察 LTC3310 會發現，這是一款非常小的低噪聲單芯片 DC/DC 降壓轉換器，能夠使用 2.25 至 5.5 V 的輸入電源提供高達 10 A 的輸出電流；VOUT 范圍為 0.5 V 至 VIN。開關頻率從 500 kHz 到 5 MHz 不等。它只需幾個外部無源元器件，能夠在其大部分輸出負載范圍內實現約 90% 的效率（圖 3）。

圖 3：LTC3310 DC/DC 降壓穩壓器需要外部有源元器件，能夠在其大部分負載范圍內提供高效率。（圖片來源：Analog Devices）

它有四個基本版本。這些器件能夠在高達 5 MHz 的開關頻率下實現低 EMI 和高效率，部分 LTC3310 系列版本還通過了 AEC-Q100 汽車認證。請注意，第一代 (SS1) 器件 LTC3310 以及第二代 (SS2) 器件 LTC3310S 和 LTC3310S-1 都可同時提供可調輸出和固定輸出版本（表 1）：

表 1：LTC3310 有四個基本版本，代表第一代設計和第二代設計以及固定輸出和可調輸出。（圖片來源：Analog Devices）

對于可調版本，輸出電壓通過輸出引腳與反饋 (FB) 引腳之間的電阻分壓器進行硬編程，并使用簡單的方程來確定正確的電阻值（圖 5）。

圖 5：只需使用基于簡單方程的基本電阻分壓器網絡，即可建立可調式 LTC3310 器件的輸出電壓。（圖片來源：Analog Devices）

噪聲水平通常僅為幾十 μV。LTC3310 器件低噪聲性能的兩個關鍵指標是按照相關的 CISPR25 Class 5 峰值限制執行的噪聲測試，包括傳導噪聲（圖 6）及水平平面和垂直平面的輻射噪聲（圖 7）。

圖 6：基于 LTC3310S 正確排列的穩壓器符合嚴格的 CISPR25 傳導 EMI 放射（Class 5 峰值）限制。（圖片來源：Analog Devices）

圖 7：對于輻射放射測試，LTC3310S 同時符合 CISPR25 規定的水平平面（左）和垂直平面（右）EMI 要求。（圖片來源：Analog Devices）

LTC3310 系列還有一個值得注意的特性，那就是可以輕松并聯使用這些器件，以實現多相高電流運行，而很多其他的開關穩壓器并不支持或只能勉強支持這一功能。最簡單的并聯適用于兩相運行，可產生高達 20 A 的電流（圖 8）。這種方法可以輕松擴展到三相、四相甚至更多相，并相應產生更高的電流。

圖 8：使用幾個額外的元器件，可以將兩個或更多 LTC3310 器件組合在一起，以實現多相高電流運行；圖中所示的是兩相/20 A 配置。（圖片來源：Analog Devices）

評估板縮短了設計周期

由于沒有任何初始化寄存器、軟件控制功能或其他復雜設置，LTC3310 器件之類的穩壓器可以直接用于應用中。盡管如此，在交付最終布局或 BOM 規格之前，能夠評估這些穩壓器的靜態性能和動態性能并優化無源元器件值，在技術層面也是有意義的。LTC3310 評估板的問世大大簡化了這一過程。Analog Devices 針對各種 LTC3310 版本和配置提供了相應的評估板：

DC3042A 支持可調輸出 LTC3310 器件（圖 9）。

圖 9：DC3042A 評估板專為 LTC3310 而設計，支持用戶設置輸出電壓。（圖片來源：Analog Devices）

除了引導用戶完成基本設置和操作以外，說明文檔中還包含原理圖、板布局和物料清單 (BOM)。除外，它還標出了各個測試點和連接，以及用來測量輸出紋波和階躍響應的探頭布置（圖 10）。

圖 10：DC3042A 用戶演示手冊清楚地列出了測試點和連接（頂部），以及用來測量輸出紋波和階躍響應的探頭設置和配置。（圖片來源：Analog Devices）

對于具有固定輸出電壓的 LTC3310S-1，可以選擇 DC3021A 評估板（圖 11）。

圖 11：對于不允許用戶調節輸出電壓的 LTC3310S-1，應當選擇 DC3021A 評估板。（圖片來源：Analog Devices）

最后，對于更加復雜的多相并聯布置，可以選擇 DC2874A-C（圖 12）。此評估板將 LTC3310S 作為多相 2.0 MHz、3.3 至 1.2 V 降壓穩壓器來運行。DC2874A 具有三個構建選項，可提供兩相/20 A、三相/30 A 或四相/40 A 的輸出解決方案。

圖 12：適用于 LTC3310S 的 DC2874A-C 評估板具有三個構建選項：兩相/20 A、三相/30 A 或四相/40 A 輸出。（圖片來源：Analog Devices）

通過使用 LTC3310S 并投入一些時間了解適用的評估板以及相應的用戶手冊，設計人員可以最大限度減少在 DC/DC 穩壓器性能方面花費的時間。

總結

過去，工程師們不得不在兩種相互沖突、屬性截然相反的 DC/DC 穩壓器拓撲之間做出選擇。LDO 可提供超低噪聲 DC 輸出，但效率僅為中低水平，因此在輸出超過大約 1 A 的電流時會遇到散熱問題。相比之下，開關穩壓器的效率在 90% 以上，但會導致 DC 輸出軌的噪聲增加，同時還是產生傳導噪聲（尤其是輻射噪聲），很容易導致產品無法通過強制性監管測試。

幸運的是，Analog Devices 推出的 Silent Switcher 系列采用多項創新設計技術，克服了這種只能“二選一”的困境，因此提供了多種極其高效、噪聲超低、外形小巧的穩壓器選擇。

審核編輯 黃宇