消除误解：大电流开关稳压器IC噪声可以降低到接近LDO的数值 全球关注

来源：Digi-Key
作者：Bill Schweber

(资料图)

即便在发展日新月异的科技领域，也有一些根深蒂固的“传统智慧”和臆断，尽管经历了科技迅猛进步的洗礼，但仍旧抗拒改变。我偶尔还会听到老一辈人说，延长充电电池寿命的方式是将电量完全耗尽，然后再进行充电。对于传统的镉镍 (NiCad) 化学材料，可能的确如此，但对于今天的锂电池而言，这可能是绝对错误的，实际上还会对电池寿命产生不利影响。

对于降压 DC-DC 开关稳压器，同样也存在一些错误观念，特别是那些设计在较高输入电压（数十伏特）下工作并提供较大电流（高达 10 A 左右）的稳压器。固有观念是低压差稳压器 (LDO) 采用线性非开关拓扑结构，几乎没有噪声，但效率非常低。相反，开关稳压器（转换开关）相对噪声较大，但效率非常高。

用户对转换开关的担忧不仅限于臆断存在的噪声。虽然它们的效率很高（在“甜区”负载下工作时，效率高于 85%），但通常存在三个缺点：

1：它们会产生电噪声，这种噪声主要（但非全部）在其开关频率下和谐波中出现。

2：它们的瞬态响应较差，易于出现不稳定和振荡，除非针对应用对其闭环响应进行仔细调节。

3：高功率开关稳压器需要外部 MOSFET，并用作开关器件控制器，而不是带有内部 MOSFET 的稳压器，因而需要更多的元器件和板空间。

但是，随着最近的技术进步和创新拓扑结构的问世，这种情况已经改变，LT8645S、LT8646S 和 LT8645S-2 就证明了这一点。这三款相似的 65 V 单片 Silent Switcher 同步降压稳压器来自于 Analog Devices，每款稳压器都能够支持 8 A 输出（图 1）。

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图 1：Silent Switcher 降压稳压器的方框图展示了它们的复杂度，但无法显示用于实现重大性能改进的技术细节。（图片来源：Analog Devices）

上述三款器件之间存在一些细微但明显的差异，让用户能够选择最符合他们应用需求的特定配置（图 2）。

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图 2：这三款开关稳压器非常相似，但存在一些细微的配置差异，这些差异可能对于特定应用至关重要。（图片来源：Analog Devices）

我们首先谈一下噪声，因为对于开关稳压器而言，用户通常最担心的就是噪声问题。毋庸置疑，优质的低压差稳压器 (LDO) 确立了低噪声输出的标准，但上述几款先进的开关稳压器已经非常接近它们的噪声水平。

为什么要担心噪声呢？

稳压器输出噪声对系统性能的不利影响表现在以下几个方面：

· 可能影响负载 IC 的性能一致性和可靠性，尤其是在较低电轨电压供电、电源裕量非常小的情况下。
· 影响最终能够达到的性能水平，因为它会降低模拟信号精度，例如在传感器前端。
· 输出轨噪声可能是辐射和传导电磁干扰 (EMI) 的来源。辐射噪声尤其令人担忧，因为它可能导致最终产品无法满足众多应用特定要求中的一项或多项，例如广泛使用的 CISPR 25 辐射 EMI 测试。

无需担忧

就设计而言，Analog Devices 的 Silent Switcher 架构可以确保实现低噪声，从而获得优良的 EMI 性能。另外，作为单片器件，其性能不易受到印刷电路板（PC 板）布局的影响，因而可以消除元器件和布局引起的 EMI，这是设计时所要考虑的问题。

Silent Switcher 稳压器是如何做到这一点的？设计人员研究了时钟和其他噪声源的每一种表现方式，然后设计了各种方法加以克服。噪声的两个主要来源是开关架构固有的所谓“热回路”，以及走线电感和瞬时振荡。

为了抑制热回路，Silent Switcher 设计将热回路分为两个均衡回路，使得它们的电流可以有效地相互抵消。为了解决走线电感问题，在芯片上集成旁路电容器，避免与印刷电路板走线电感和瞬时振荡有关的问题，同时通过消除外部元器件及其贴装的可变性确保性能。这种做法让辐射放射性能能够轻松达到 CISPR 25 标准限值（图 3）。

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图 3：由于消除热回路问题及增加集成旁路电容器等改进措施，Silent Switcher 稳压器的辐射远远低于法定最大值。（图片来源：Analog Devices）

值得注意的是，这些器件的传导噪声也非常低，但这方面的法规限制不太严格。此外，使用铁氧体磁珠更容易降低传导噪声，而辐射噪声更难衰减，甚至可能需要昂贵和复杂的屏蔽措施。

这些开关稳压器的设计还能够改进瞬态响应。它们提供清晰、精密的调节（尽管负载变化），并可在各种不同工作条件下保持回路稳定性（图 4）。为了增加灵活性，LT8646S 器件还允许外部电阻-电容器 (RC) 补偿，让设计人员能够优化瞬态响应。

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图 4：Silent Switcher 稳压器的设计还可产生快速、精确、一致的瞬态响应，即便在负载变化的情况下，也能提供稳定可靠的直流输出轨。（图片来源：Analog Devices）

最后，集成高功率 MOSFET 还带来诸多优势：

· 由于减少了 MOSFET 的印刷电路板走线，噪声得以降低。
· 提供一致的输入电源到输出轨性能，达到在规格书上规定的性能标准。
· 整体外形尺寸更小；8-A 稳压器采用 6 mm × 4 mm LQFN 封装，整个电路仅需少量无源元器件（图 5）。

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图 5：基于 LT8645S-2（或该系列的其他元器件）的完整电源稳压器子系统外形紧凑且节省物料。（图片来源：Analog Devices）

最后还有一个非常重要的问题：在使用这些高压、大电流的 Silent Switcher 稳压器时，是否要在效率方面做出一定妥协或牺牲？毕竟，高效率是用户使用转换开关而非线性电源的最主要原因。

答案非常简单：这些器件的效率与更高噪声器件的效率处于同一区间（图 6）。在负载电流为 1 A 至最高 8A 的范围内，器件的效率在约 90% 至 96% 之间，其中 2 A 至 4 A 范围是“甜区”。

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图 6：除电流输出值范围的最高端和最低端外，8 A Silent Switcher 稳压器的效率保持在 95% 左右。（图片来源：Analog Devices）

结语

开关稳压器具有高效率的重要优点，但它们也可能会产生多余的辐射噪声，对于电路、系统和法规要求来说，需要避免这些多余的噪声。Analog Devices 提供的 Silent Switcher DC-DC 稳压器采用创新的架构，克服了传统开关稳压器的诸多缺点，而不影响预期性能。

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