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)

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(huì)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(duì)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(huì)占用更多的電路板空間。所以，毫不意外多年來人們?cè)絹碓蕉嗟夭捎脝纹介_關(guān)穩(wěn)壓器，如今，即使對(duì)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。

雖然單片式解決方案需要的空間較少，也簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程，但另一方面，控制器解決方案的優(yōu)勢(shì)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(jí)，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(huì)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?jī)?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。

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(shì)。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(duì)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(huì)導(dǎo)致更高的電壓偏置，以及更差的EMC性能。

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）

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(shì)。這種干擾有多強(qiáng)，對(duì)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。

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

作者簡(jiǎn)介

Frederik Dostal曾就讀于德國(guó)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(chǎng)應(yīng)用工程師。