開關(guān)穩(wěn)壓器既能供電又具有超低噪聲

因為 DC/DC 電源效率高、尺寸小，所以它們是首選的電壓轉(zhuǎn)換方法。不過效率提高引起了附帶的傳導(dǎo)和電磁干擾輻射(EMI)問題。這種 EMI 是轉(zhuǎn)換過程中進行高頻切換的副產(chǎn)品。EMI 在系統(tǒng)中引起噪聲，還可能導(dǎo)致難以滿足監(jiān)管規(guī)范。有很多要求苛刻的應(yīng)用需要在電源噪聲極低的情況下工作。

人們已經(jīng)采用了許多處理開關(guān)噪聲的方法，包括采用更加復(fù)雜的拓撲、增加額外的組件和材料以濾除或屏蔽高頻分量的影響、仔細考慮印刷電路板布局、讓開關(guān)頻率產(chǎn)生高頻顫動以降低平均輻射 (盡管不是降低峰值輻射)。 這些解決方案引入了各自的問題并提高了成本，而且常常需要超出普通工程師技能范圍的特定專長。

開關(guān)穩(wěn)壓器控制器 LT1683 和 LT1738 通過控制主開關(guān)的電流和電壓轉(zhuǎn)換率，在問題的源頭降低了噪聲。讓這些轉(zhuǎn)換率受到控制，就從源頭消除了輸出電壓以及輸入和輸出電流中的很多高頻諧波能量。用戶以最佳方式設(shè)置轉(zhuǎn)換率，以在噪聲和轉(zhuǎn)換器效率之間取得平衡，最佳設(shè)置僅需損失幾個百分點的效率。因為在源頭的問題得到解決，所以設(shè)計可更簡單和更堅固。

LT1683 加上兩個外部 MOSFET 開關(guān)實現(xiàn)推挽拓撲，而 LT1738 用單個外部 MOSFET 實現(xiàn)單開關(guān)拓撲。因為開關(guān)在外部，所以用戶可以完全控制電源的電壓和電流轉(zhuǎn)換率。

轉(zhuǎn)換控制的魅力

典型開關(guān)電壓方波信號的傅里葉分析顯示，諧波峰值以 20dB/dec 從基頻開始滾降。如果該方波的邊緣被轉(zhuǎn)換而成為梯形，則將在1/tSLEW 產(chǎn)生第二個20dB/dec 滾降(其中，tSLEW 是波形轉(zhuǎn)換所需的時間)。

在開關(guān)模式電源中，大多數(shù) EMI/噪聲都是因電源開關(guān)的切換動作產(chǎn)生的。為了實現(xiàn)高效率，一般都盡可能突然地進行這種轉(zhuǎn)換，但是讓這些轉(zhuǎn)換邊緣可在適度損失效率的情況下極大地降低噪聲。因此，挑戰(zhàn)是如何準確地轉(zhuǎn)換開關(guān)電壓和開關(guān)電流。電壓轉(zhuǎn)換往往在開關(guān)中產(chǎn)生容性耦合，而電流轉(zhuǎn)換則產(chǎn)生磁性耦合。減輕這兩種耦合對形成噪聲非常低的開關(guān)是至關(guān)重要的。

在有電感負載的普通切換周期中，開關(guān)接通，電流上升直到開關(guān)從電感器吸取電流，然后電壓開始下降。因此，我們希望對電流進行轉(zhuǎn)換，然后平穩(wěn)地切換至電壓轉(zhuǎn)換。開關(guān)斷開時，過程應(yīng)該是相反的。

LT1683 和 LT1738 用雙反饋環(huán)路進行轉(zhuǎn)換控制。圖 1 象征性地顯示了單通道的樣子。電壓轉(zhuǎn)換控制由一個使用外部電容器 CV 的簡單積分器以及充電或放電電流 IVSL 完成，IVSL 基于用戶定義的外部電阻 RVSL。

圖1：LT1683/LT1738 轉(zhuǎn)換控制(單通道)。

電流轉(zhuǎn)換控制用以下方法進行。檢測電阻上產(chǎn)生的電壓被放大并通過內(nèi)部電容器 CC 差分化。這樣 CC 中的電流就與 dl/dt 成正比。這個電流的值限制為 ICSL，ICSL 基于用戶定義的外部電阻 RCSL。CC 中的電流幅度轉(zhuǎn)換為與 IVSL 成正比的電流，并加到積分節(jié)點(Cap 引腳)上以控制開關(guān)。在這種方法中，轉(zhuǎn)換率既受到調(diào)節(jié)，相互之間又有聯(lián)系，以實現(xiàn)快速和高效率的通斷轉(zhuǎn)換。

超低噪聲 48V 至 5V 轉(zhuǎn)換器

圖 2 是在推挽正向轉(zhuǎn)換器拓撲中采用 LT1683 的轉(zhuǎn)換器原理圖。LT1683 含有所有轉(zhuǎn)換器所需的控制電路：振蕩器、誤差放大器、柵極驅(qū)動器和保護電路。從漏極到 Cap A 和 Cap B 的電容分壓器網(wǎng)絡(luò)可以提供一個有效的 0.33pF 電容器，用于電壓轉(zhuǎn)換率反饋。電流轉(zhuǎn)換反饋在 LT1683 內(nèi)部進行，并用 CS 電壓作為其反饋(開關(guān)電流)。

圖2：LT1683 推挽式轉(zhuǎn)換器。

推挽拓撲更加連續(xù)地從輸入吸取電流，從而降低了傳導(dǎo)輻射，因此對低噪聲開關(guān)是可取的。該轉(zhuǎn)換器的輸出噪聲如圖 3 所示。下面的波形是穩(wěn)壓器的輸出電壓。噪聲由開關(guān)的基頻主導(dǎo)。當(dāng)這個分量由附加濾波器進一步濾除后，很明顯地看到，開關(guān)幾乎沒什么噪聲了，在 2A 輸出(帶寬 ＝ 100MHz)時殘留噪聲為微小的 200uVP-P。

圖3：圖 2 電路的 5V 輸出噪聲。

LT1683 有很多保護功能。首先，/SHDN 引腳向電源提供欠壓閉鎖，確保在允許轉(zhuǎn)換器啟動之前輸入正常工作。另外，GCL 引腳防止 MOSFET 柵極電壓過高并防止 MOSFET 在柵極電壓不充分時接通。CS 引腳檢測過大的開關(guān)電流，電流過大時 MOSFET 將斷開。由于電壓轉(zhuǎn)換控制的原因，免除了MOSFET漏極上的箝位電路或減振器，而且，開關(guān)振鈴幅度和持續(xù)時間縮減了80% 以上。

超低噪聲 5V 至 12V 升壓型轉(zhuǎn)換器

圖4：采用 LT1738 的 5V 至 12V/1A 升壓型轉(zhuǎn)換器。

圖 4 所示是采用 LT1738 的 5V 至 12V/1A 升壓型轉(zhuǎn)換器。單個開關(guān)提供更簡單的解決方案，代價是噪聲略有提高。圖 5 顯示了 1A 時的輸出電壓噪聲，為非常低的400uVP.P。

圖5：圖 4 電路的 12V輸出電壓噪聲(帶寬=100MHz)。

超低噪聲 30W 離線式電源

圖 6 顯示了采用外部開關(guān)的靈活性。這個電路采用 LT1738 和單個高壓 MOSFET，是一個 AC 電壓(90VAC至 26?VAV)至 12V/2.5A 的轉(zhuǎn)換器。其基本拓撲是反激式轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器連同光隔離器一起提供徹底的輸出電氣隔離。變壓器上的附加繞組線圈為器件提供電源電壓。

圖6：采用 LT1738 的 5V 至 12V/1A 升壓型轉(zhuǎn)換器。

DANGER: HIGH VOLTAGE：危險：高壓

UNLESS OTHERWISE NOTED: ALL RESISTORS 1206, 5%：除非另有說明：所有電阻規(guī)格均為 1206、5%

需要輸入濾波器以衰減開關(guān)頻率諧波并符合 FCC B 類法規(guī)要求(LT1738 不衰減這些低頻諧波)

LT1738 的主要優(yōu)點是，它使抑制高頻噪聲和 EMI 非常容易。

輸入濾波器用來衰減低頻諧波，以使電源符合 FCC B 類法規(guī)要求。LT1738 降低高頻諧波和 EMI 噪聲分量，因此輸入濾波器無需接地電容器。

結(jié)論

凌力爾特公司已經(jīng)開發(fā)出兩個控制器，以幫助設(shè)計師自信地應(yīng)對超低噪聲應(yīng)用。LT1683 和 LT1738 不僅具有普通的控制器功能，還能限制開關(guān)中的主要 EMI 分量，因此非常容易降低輸出噪聲。DC/DC 轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在可用于精密儀表、噪聲敏感的寬帶通信設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域，而沒有與普通轉(zhuǎn)換器設(shè)計方案有關(guān)的噪聲影響不確定的問題。