單片式開關(guān)穩(wěn)壓器——當(dāng)所有一切都集成在芯片上時(shí)
發(fā)布時(shí)間:2020-10-09 來源:Frederik Dostal,ADI 現(xiàn)場應(yīng)用工程師 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】開關(guān)穩(wěn)壓器可以采用單片結(jié)構(gòu),也可以通過控制器構(gòu)建。在單片式開關(guān)穩(wěn)壓器中,各功率開關(guān)(一般是MOSFET)會集成在單個(gè)硅芯片中。使用控制器構(gòu)建時(shí),除了控制器IC,還必須單獨(dú)選擇半導(dǎo)體和確定其位置。選擇MOSFET非常耗費(fèi)時(shí)間,且需要對開關(guān)的參數(shù)有一定了解。使用單片式設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)人員無需處理這些問題。此外,相比高度集成的解決方案,控制器解決方案通常會占用更多的電路板空間。所以,毫不意外多年來人們越來越多地采用單片式開關(guān)穩(wěn)壓器,如今,即使對于更高功率,ADI公司也有大量的解決方案可供選擇。圖1左側(cè)是單片式降壓轉(zhuǎn)換器,右側(cè)是控制器解決方案。
圖1.單片式降壓轉(zhuǎn)換器(左);帶外部開關(guān)的控制器解決方案(右)
雖然單片式解決方案需要的空間較少,也簡化了設(shè)計(jì)流程,但另一方面,控制器解決方案的優(yōu)勢是更加靈活。設(shè)計(jì)人員可以為控制器解決方案選擇經(jīng)過優(yōu)化、適合特定應(yīng)用的開關(guān)管,也可以控制開關(guān)管的柵級,所以能夠通過更巧妙地部署無源組件來影響開關(guān)邊沿。此外,控制器解決方案適合高功率,因?yàn)榭梢赃x擇大型分立式開關(guān)管,且開關(guān)損耗會遠(yuǎn)離控制器IC。
但是,除了這些熟知的單片式解決方案的有利和不利因素之外,還有一個(gè)因素容易忽略。在開關(guān)穩(wěn)壓器中,所謂的熱回路是實(shí)現(xiàn)低輻射的決定因素。在所有開關(guān)穩(wěn)壓器中,應(yīng)盡量優(yōu)化EMC。實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的基本原則之一是:最小化各個(gè)熱回路中的寄生電感。在降壓轉(zhuǎn)換器中,輸入電容和高壓側(cè)開關(guān)之間的路徑,高壓側(cè)開關(guān)和低壓側(cè)開關(guān)之間的連接,以及低壓側(cè)開關(guān)和輸入電容之間的連接都是熱回路的一部分。它們都是電流路徑,其中的電流隨開關(guān)切換的速度而變化。通過快速的電流變化,因寄生電感形成電壓偏移,可以作為干擾耦合到不同的電路部分。
圖2.單片式開關(guān)穩(wěn)壓器(左)和帶控制器IC的解決方案(右),每個(gè)都有一些不同形式的熱回路
所以,這些熱回路中的寄生電感必須保持盡可能低。圖2用紅色標(biāo)出各熱回路路徑,左側(cè)為單片式開關(guān)穩(wěn)壓器,右側(cè)為控制器解決方案。我們可以看到,單片式解決方案具有兩大優(yōu)勢。一,其熱回路比控制器解決方案的熱回路小。二,高壓側(cè)開關(guān)和低壓側(cè)開關(guān)之間的連接路徑非常短,且只在硅芯片上完成走線。兩者相比,對于帶控制器IC的解決方案,連接的電流路徑必須通過封裝的寄生電感布線,通常采用的鍵合線和引線框架具有寄生電感。這會導(dǎo)致更高的電壓偏置,以及更差的EMC性能。
結(jié)論
因此,單片式開關(guān)穩(wěn)壓器具備額外的,少為人知的EMI優(yōu)勢。這種干擾有多強(qiáng),對電路有什么影響,具體取決于許多其他參數(shù)。但是,就EMC性能而言,單片式開關(guān)穩(wěn)壓器和帶控制器IC的解決方案之間存在差異,這一點(diǎn)值得考慮。
作者簡介
Frederik Dostal曾就讀于德國埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)。他于2001年開始工作,涉足電源管理業(yè)務(wù),曾擔(dān)任多種應(yīng)用工程師職位,并在亞利桑那州鳳凰城工作了四年,負(fù)責(zé)開關(guān)模式電源。他于2009年加入ADI公司,并在慕尼黑ADI公司擔(dān)任電源管理現(xiàn)場應(yīng)用工程師。聯(lián)系方式:frederik.dostal@analog.com。
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