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單片式開關穩壓器——當所有一切都集成在芯片上時

作者:ADI 現場應用工程師,Frederik Dostal時間:2020-10-02來源:電子產品世界收藏

開關穩壓器可以采用單片結構,也可以通過控制器構建。在單片式開關穩壓器中,各功率開關(一般是MOSFET)會集成在單個硅芯片中。使用控制器構建時,除了控制器IC,還必須單獨選擇半導體和確定其位置。選擇MOSFET非常耗費時間,且需要對開關的參數有一定了解。使用單片式設計時,設計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穩壓器,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左側是單片式降壓轉換器,右側是控制器解決方案。

本文引用地址:http://www.303263.tw/article/202010/418982.htm

雖然單片式解決方案需要的空間較少,也簡化了設計流程,但另一方面,控制器解決方案的優勢是更加靈活。設計人員可以為控制器解決方案選擇經過優化、適合特定應用的開關管,也可以控制開關管的柵級,所以能夠通過更巧妙地部署無源組件來影響開關邊沿。此外,控制器解決方案適合高功率,因為可以選擇大型分立式開關管,且開關損耗會遠離控制器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,還有一個因素容易忽略。在開關穩壓器中,所謂的熱回路是實現低輻射的決定因素。在所有開關穩壓器中,應盡量優化EMC。實現優化的基本原則之一是:最小化各個熱回路中的寄生電感。在降壓轉換器中,輸入電容和高壓側開關之間的路徑,高壓側開關和低壓側開關之間的連接,以及低壓側開關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。

所以,這些熱回路中的寄生電感必須保持盡可能低。圖2用紅色標出各熱回路路徑,左側為單片式開關穩壓器,右側為控制器解決方案。我們可以看到,單片式解決方案具有兩大優勢。一,其熱回路比控制器解決方案的熱回路小。二,高壓側開關和低壓側開關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。這會導致更高的電壓偏置,以及更差的EMC性能。

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圖1 單片式降壓轉換器(左);帶外部開關的控制器解決方案(右)

結論

因此,單片式開關穩壓器具備額外的,少為人知的EMI優勢。這種干擾有多強,對電路有什么影響,具體取決于許多其他參數。但是,就EMC性能而言,單片式開關穩壓器和帶控制器IC的解決方案之間存在差異,這一點值得考慮。

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圖2 單片式開關穩壓器(左)和帶控制器IC的解決方案(右),每個都有一些不同形式的熱回路

作者簡介

Frederik Dostal曾就讀于德國埃爾蘭根大學微電子學專業。他于2001年開始工作,涉足電源管理業務,曾擔任多種應用工程師職位,并在亞利桑那州鳳凰城工作了四年,負責開關模式電源。他于2009年加入ADI公司,并在慕尼黑ADI公司擔任電源管理現場應用工程師。



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