如何使用整合式電源模組解決 DC/DC 雜訊、效率和佈局問題

打造一個基本的降壓 DC/DC 穩壓器，用於 10 V (典型) 或更低的電壓，以及大約 2 至 15 A 的中等電流水準，看起來並不困難。設計人員只需挑選合適的切換式穩壓器 IC，並利用規格書或應用說明上的範例電路增添一些被動元件即可。但設計這樣就算完成且準備好進入試運行，甚至投入生產了嗎？應該不是。

雖然穩壓器可提供所需的 DC 電軌，但仍然具有一些潛在的問題和疑慮。首先，效率可能不符合專案目標或法規要求，進而增加熱衝擊，且會縮短電池續航力。其次，可能需要額外的元件來確保正確啟動、暫態效能和低漣波，但這又會影響尺寸、上市時間和整體的物料清單 (BOM)。最後也最具挑戰的是，此設計可能無法符合各種法規針對電磁干擾 (EMI) 或無線射頻干擾 (RFI) 而制訂的日益嚴格限制，因此需要重新設計，或進一步增添元件和測試。

本文將以效率、低輻射與漣波雜訊，以及整體整合度為基準，針對基本的 DC/DC 穩壓器設計，以及一個符合甚至超過上述要求的設計，說明兩者在期望與現實效能之間的差距。接著會介紹 Analog Devices 的 Silent Switcher µModule，並說明如何用此解決 DC/DC 降壓穩壓器面臨的幾個問題。

IC 一開始能讓事情看起來更加輕鬆。

降壓型 DC/DC 穩壓器廣泛用於提供 DC 電軌。典型的系統可能就有數十個這種穩壓器，提供不同的電軌電壓，或在相同電壓下實體分隔不同電軌。這些降壓穩壓器通常採用較高的電壓 (通常在 5 至 36 VDC 之間)，並將其調降到個位數伏特，以及幾安培或僅有幾十安培 (圖 1)。

圖 1：DC/DC 穩壓器 (轉換器) 的作用很簡單：採用來自電池或經過整流且濾波之 AC 線路的非穩壓 DC 電源，再提供嚴密穩壓的 DC 電軌當作輸出。(圖片來源： Electronic Clinic)

在打造基本的降壓穩壓器時，有好消息也有壞消息。好消息是，打造一個稱得上效能「不錯」的穩壓器通常不難。市面上有許多切換式 IC 可省下非常多工作，僅需單一個場效電晶體 (FET) (或完全不需要)，搭配幾個被動元件即可完成。由於穩壓器 IC 的規格書幾乎都會顯示典型的應用電路，且會搭配線路圖、電路板佈局和 BOM，甚至可能會提供元件供應商名稱和零件編號，因此能讓任務更加輕鬆。

在此有個工程上的兩難，就是在一些非顯著的穩壓器效能參數上，有「良好」的效能水準可能還不夠。雖然輸出 DC 電軌可以提供足夠的電流，並有充足的線路／負載調節以及暫態響應，但這些因素只是電源軌影響的入門而已。

現實情況是，除了這些基本的效能要求外，穩壓器也會受到其他因素的影響，其中一些因素更還受到外部規定的驅策。絕大多數穩壓器必須解決的三大問題不一定是顯而易見的，單純從最簡單的功能區塊觀點來看，就是接受非穩壓 DC 輸入，然後提供穩壓 DC 輸出而已。三大問題包括 (圖2)：

• 低溫：兼顧高效率和最小的熱衝擊。
• 安靜：低漣波可達到零失誤的系統效能，更要有低 EMI，以符合輻射雜訊標準 (非聲學)。
• 完整：整合式解決方案可將尺寸、風險、BOM、上市時間和其他「軟性」疑慮降至最小。

圖 2：DC/DC 穩壓器要做的不僅僅是提供穩定的電軌；還要低溫、有效率、EMI「寧靜」，並且具備功能完整性。(圖片來源：Math.stackexchange.com；經作者修改)

要因應這些問題會帶來一系列挑戰，這中間的過程令人受挫。這符合「80/20 規則」；80% 的努力都是貢獻在達成最後 20% 的任務上。讓我們進一步細看這三大因素：

低溫：每個設計人員都想要達到高效率，但究竟要多高，而且有何代價？答案沒什麼不同：取決於專案及當中的權衡。更高的效率之所以重要是基於以下三大理由：

1. 能讓產品運作更低溫，進而提高可靠度，更可允許在更高的溫度下運行，因此無需使用強制空氣 (風扇) 散熱，或者在可行的情況下，可簡化有效對流散熱的設置。在高階應用上，可能有必要讓指定元件在正好低於最高溫度的限制下，且在安全運作範圍內保持高溫運作。
2. 即使這些散熱因素不成問題，有效率也有助於電池供電系統延長續航力，或讓上行 AD-DC 轉換器的負擔降低。
3. 現在有許多法定標準，針對各類最終產品規定需達到的指定效率水準。雖然這些標準並未針對產品的個別電軌規定其效率，但設計人員仍須確保整體總效率符合要求。若每個輸出電軌的 DC/DC 穩壓器更有效率，一切就會更容易，因為再加上其他電軌與其他損耗來源後，這還會有餘裕。

寧靜：設計人員要考量的雜訊有兩大類。首先，DC/DC 穩壓器輸出端的雜訊和漣波必須夠低，以免對系統效能產生不良影響。隨著數位電路中的電軌電壓降至僅有個位數的低電壓值，而且在精密類比電路中，即便只有少許幾毫伏的漣波，也會導致效能降低，因此這個問題越來越受到關注。

另一個主要問題與 EMI 有關。EMI 排放分為兩種：傳導和輻射。傳導排放會沿著連接產品的電線與走線發生。由於雜訊侷限於設計中的特定端子或連接器，因此通常只要有良好的佈局與濾波設計，就可在開發初期確保符合傳導排放的要求。

但輻射排放則較為複雜。電路板上每個帶電流的導線都會輻射電磁場：每條電路板走線都是天線，每一層銅面都會鏡射。除了純正弦波或 DC 電壓外，其他任何訊號都會產生較寬的訊號頻譜。

困難點在於，即使經過仔細的設計，設計人員在系統開始測試之前，永遠不會真正知道輻射排放的嚴重程度，而且在設計基本完成之前，都無法正式執行輻射排放測試。可使用濾波器，透過多種技術將特定頻率或一定範圍內的頻率衰減，藉此降低 EMI。

有些透過太空輻射的能量，可使用金屬板作為磁屏蔽，將其衰減。而沿著 PCB 走線傳播的更低頻率部分 (傳導)，則可使用鐵氧體磁珠和其他濾波器加以控制。屏蔽有其效果，但也會帶來一些新的問題。必須精心設計並具有良好的電磁完整性 (通常出乎意料地困難)。這不僅會增加成本、讓熱管理與測試更加困難，還會引進額外的組裝成本。

另一種技術是減慢穩壓器的切換邊限。然而，這會產生一些不樂見的效應，包括降低效率、拉長最短的導通和關斷時間以及所需的失效時間，還有損電流控制迴路的速度。

還有一個作法是仔細挑選關鍵的設計參數，藉此調整穩壓器設計以輻射較少的 EMI。在這些穩壓器權衡之間達到平衡的任務，包括各參數互動的評估，例如切換頻率、佔位面積、效率以及產生的 EMI 等。

舉例而言，較低的切換頻率通常會降低切換損耗和 EMI，並且提高效率，但需要更大的元件，因此佔位面積也會跟著增加。追求更高效率的過程中，也需要有最短的導通和關斷時間，因此會加快切換過渡，進而提高諧波含量。通常來說，假設其他所有參數 (如開關容量和過渡時間) 保持不變，切換頻率每次倍增，EMI 就會變差 6 dB。當切換頻率增加 10 倍時，廣頻 EMI 的表現就像一階高通濾波器，排放量會高出 20 dB。

為了克服這一點，有經驗的印刷電路板設計人員會將穩壓器的電流迴路 (熱迴路) 變小，並盡可能採用靠近主動層的屏蔽接地層。然而，為了讓去耦元件中具有充分的儲能，需要的引腳排列、封裝結構、熱設計要求和封裝尺寸就已決定了一定程度的最小熱迴路尺寸。

讓佈局問題雪上加霜的是，典型的平面印刷電路板在高於 30 MHz 的走線之間具有磁性或變壓器式的耦合。這種耦合會降低濾波效果，因為諧波頻率越高，不需要的磁耦合就越有效。

有哪些相關標準？

在 EMI 領域中，沒有單一主導標準，因為絕大多數取決於應用和相關主管規定。但最常遵循的標準包括 EN55022、CISPR 22 和 CISPR 25。EN 55022 是衍生自 CISPR 22 的修訂標準，適用於資訊科技設備。此標準由歐洲電子技術標準委員會 (CENELEC) 制訂，該委員會負責電子技術工程領域的標準化工作。

這些標準相當複雜，針對測試程序、探針、儀器、數據分析等項目制訂規定。由標準定義的眾多限值中，B 類輻射排放限值通常是設計人員最關注的項目。

完整：即使對設計情況有相當程度的瞭解，但要以正確的方式挑選和採用需要的支援元件也是一項挑戰。元件的放置和規格、印刷電路板的接地和走線，以及其他因素，若有些許差異，就有可能對效能產生不良影響。

建模和模擬有所必要且有所幫助，但要凸顯這些元件相關的寄生效益並不容易，尤其是在這些數值變化的情況下。此外，若廠商有變 (或首選供應商有所改變但未公告)，可能會導致第二層或第三層參數值 (例如電感直流電阻 (DCR)) 出現細微變化，這可能會產生重大且意想不到的後果。

此外，即使只是稍微挪動被動元件的位置，或增添一兩個元件，也會改變 EMI 情況，導致排放量超過允許的限值。

SilentSwitcher µModule 可解決問題

預測和控管風險是設計師的日常工作之一。將這些風險的數量和強度降低是最終產品的標準策略。有個解決方案就是採用功能完整的 DC/DC 穩壓器，其透過良好的設計和作法，達到低溫、寧靜且完整。使用已知裝置可降低不確定性，同時克服尺寸、成本、EMI、BOM 和組裝上的風險。這樣做還可以加快上市時間，並且減少法規遵循上的擔憂。

通過只要查看此類穩壓器的完整系列，例如 Analog Devices 的 Silent Switcher µModule，設計人員就可以挑選符合所需電壓與電流額定值的 DC/DC 穩壓器，同時確保滿足 EMI 要求，並且得知尺寸和成本，不會發生意外。

這些穩壓器不僅僅只是創新的線路圖和拓撲結構，還運用了諸多技術：

• 技術 #1：穩壓器的切換可當作 RF 振盪器／來源，並結合了焊線，可當作天線。如此一來，此組件會變成 RF 發射器，不樂見的能量可能超過允許的限制 (圖 3、圖 4 和圖 5)。

圖 3：從 IC 晶粒接至封裝的焊線可當作微型天線，並且輻射不樂見的 RF 能量。(圖片來源：Analog Devices)

圖 4：Silent Switcher 組件開始用覆晶技術取代焊線，就沒有線路輻射能量的問題。(圖片來源：Analog Devices)

圖 5：覆晶作法可有效免除天線的使用，並將輻射能量降至最低。(圖片來源：Analog Devices)

• 技術 #2：採用對稱式輸入電容可產生平衡的相反電流，藉此限制 EMI (圖 6)。

圖 6：還會添加雙鏡像輸入電容來限制 EMI。(圖片來源：Analog Devices)

• 技術 #3：最後，會使用相反電流迴路來消除磁場 (圖 7)。

圖 7：內部佈局採用反向電流迴路，可消除不樂見的磁場。(圖片來源：Analog Devices)

這些 Silent Switcher µModule 見證了降壓穩壓器設計和封裝的演變，從帶有支援元件的 IC，演變到帶有一體式電容的 LQFN IC，再到具有必要電容和電感的 μModule (圖 8)。

圖 8：Silent Switcher µModule 在封裝中結合電容和電感，是以 IC 為基礎的切換式穩壓器在演變過程中的第三階段。(圖片來源：Analog Devices)

多樣化產品可滿足需求與權衡考量

Silent Switcher µModule 有眾多個別款式，皆有不同的輸入電壓範圍、輸出電壓軌和輸出電流額定值。例如，LTM8003 是 3.4 至 40 V 輸入、3.3 V 輸出、3.5 A 連續電流 (6 A 峰值) 的 μModule，符合 CISPR 25 Class 5 限制，且尺寸僅有 9 × 6.25 mm，高度僅有 3.32 mm (圖 9)。

圖 9：LTM8003 Silent Switcher 是小型的自足式封裝，可輕鬆滿足 DC 至 1000 MHz 的 CISPR 25 Class 5 峰值輻射能量限制。(圖片來源：Analog Devices)

此元件採用符合故障模式效應分析 (FMEA) 標準的引腳配置 (LTM8003-3.3)，這代表在相鄰引腳短路期間，或某一個引腳處於浮動狀態時，輸出會保持在或低於穩壓電壓。典型靜態電流僅有 25 μA，而高溫等級款式的額定工作溫度則為 150°C。

DC2416A 展示板能讓設計人員試用穩壓器，並且評估在應用中的效能 (圖 10)。

圖 10：DC2416A 展示板可簡化與 LTM8003 Silent Switcher 裝置的連接和評估。(圖片來源：Analog Devices)

LTM4657 (3.1 至 20 V 輸入；0.5 至 5.5 V @ 8 A 輸出) 和 LTM4626 (3.1 至 20 V 輸入；0.6 至 5.5 V@ 12 A 輸出) 這兩個標稱值相似的 Silent Switcher µModule 系列成員，展現出這些裝置在權衡時的不同本質。LTM4657 採用的電感數值比 LTM4626 更高，因此可在較低頻率下運作，以降低切換損耗。

LTM4657 是克服高切換損耗和低導通損耗的更優秀解決方案，例如在負載電流較低和／或輸入電壓較高的應用中。看看在相同開關頻率下工作並採用相同 12 V 輸入和 5 V 輸出的 LTM4626 和 LTM4657，就可以看出 LTM4657 具有更出色的切換損耗 (圖 11)。此外，其高值電感可降低輸出電壓漣波。然而，LTM4626 能夠提供比 LTM4657 更大的負載電流。

圖 11：LTM4626 和 LTM4657 在 1.25 MHz 下搭配相同配置的 DC2989A 展示板進行效率比較，顯示出適度但仍可見的差異。(圖片來源：Analog Devices)

使用者可以使用 DC2989A 展示板 (圖 12) 評估 LTM4657 的效能；若是需要評估 LTM4626，則可使用 DC2665A-A 板 (圖 13)。

圖 12：DC2989A 展示板專為加快 LTM4657 Silent Switcher 的評估而設計。(圖片來源：Analog Devices)

圖 13：若採用 LTM4626 Silent Switcher 模組，可使用 DC2665A-A 展示板來加快實作和評估。(圖片來源：Analog Devices)

Silent Switcher μModule 不僅是單輸出模組。例如，LTM4628 是完整的雙通道 8 A 輸出切換式 DC/DC 穩壓器，可輕鬆配置成提供單通道雙相 16 A 輸出 (圖 14)。此模組提供 15 mm × 15 mm × 4.32 mm LGA 封裝，以及 15 mm × 15 mm × 4.92 mm BGA 封裝。 其中含有切換式控制器、功率 FET、電感和所有支援元件。

圖 14：LTM4628 可配置成雙輸出、每通道 8 A 切換式 DC/DC 穩壓器，或配置成單通道 16 A 輸出。(圖片來源：Analog Devices)

此模組能在 4.5 至 26.5 V 輸入電壓範圍內工作，可支援 0.6 至 5.5 V 的輸出電壓，可由單一外部電阻設定。使用者可以使用 DC1663A 展示板研究其在單輸出或雙輸出下的效能 (圖 15)。

圖 15：可使用 DC1663A 展示板，加快對單／雙輸出 LTM4628 的評估作業。(圖片來源：Analog Devices)

結論

使用市售 IC 設計可運作的 DC/DC 穩壓器其實相當容易。然而，要設計一個既有高效率、功能齊全，又可滿足多種令人混亂又嚴格之法規要求的穩壓器則不簡單。Analog Devices 的 Silent Switcher µModule 就可化此設計過程。既可符合低溫、高效率操作的目標、EMI 排放又低於限值，而且功能也相當完整，因此可消除相關的設計風險。