利用 ADI Silent Switcher μModule® 穩壓器讓多雜訊應用寧靜

在敏感的電子應用中沒有寧靜這件事，真的，這永遠不會發生。這是因為要將電源供應器中的所有電磁干擾 (EMI) 雜訊去除幾乎是不可能的。可緩解此問題的不同設計作法，通常涉及多種權衡，因此會導致更大的複雜性。

工程師們克服重重困難，嘗試降低雜訊敏感型應用中的 EMI，例如無線射頻電源 (放大器)、高速數據轉換器、敏感儀器以及醫學造影和診斷系統等。這通常是指加大元件、屏蔽和濾波器的體積，而這些都會增加複雜性、成本、尺寸和重量。

切換式電源供應器 (SMPS) 和電子式轉換器是產生 EMI 的主要原因，會讓汽車系統、消費性電子、工業自動化和電信等眾多應用的設計複雜化。

快速切換可讓 DC-DC 轉換器以及 AC-DC 整流器、DC-AC 逆變器以及 AC/AC 轉換器的能量損耗降至最低。但代價在於會產生高頻能量和暫態，因此會導致 EMI 的傳導和輻射。

EMI 會降低系統效能、干擾無線射頻、導致元件故障，並阻礙心律調節器和汽車安全系統等關鍵裝置的運作。會在此類系統中產生 EMI 的主要原因在於共模電流會沿著同一方向流經兩個或多個導體，進而感應出磁場。

美國絕大多數電子應用必須遵守聯邦通訊委員會第 15 篇的規範，其可預防有害干擾，包括來自非 RF 裝置的干擾。國際工業和通訊應用則必須符合 CISPR 22 Class B 標準，汽車應用則要符合 CISPR 25 國際標準。其他地區也有類似的合規認證。

EMI 測試通常在設計週期的後期才會進行，因此若有問題且要進行修正措施，可能會有代價高昂的產品延遲情況。更糟糕的是，如果到了現場才發現 EMI 問題，可能更難找出問題所在，並且需要昂貴的補救措施。

要抵擋 EMI，有多種元件可運用。低壓降 (LDO) 線性穩壓器是一種傳統的低成本作法，可保護下游負載，以免受到電壓暫態和電源雜訊的影響。然而，此作法會導致解決方案體積龐大，並且通常缺乏必要的保護功能。

較進階的 LDO 具有高電源抑制比 (PSRR)，可提升雜訊抑制效果，但無法直接提高效率或熱效能。若與切換式穩壓器搭配使用，就可兼具高效率和低雜訊。

設計人員也可以將重點擺在 PCB 佈局上，將 EMI 傳播的迴路區域縮減至最小，並將有雜訊和敏感的電路分隔。另一種輔助作法就是利用 EMI 屏蔽材料 (如金屬和金屬合金) 將元件隔離或封閉。也可以使用低雜訊放大器。

這些 EMI 降低技術，通常都會彼此搭配使用，因此會增加設計複雜性，讓開發人員不得不尋求簡化。

簡化 EMI 設計問題

仰賴 SMPS 設計的應用需求，成長速度超越了可達到嚴格 EMI 要求的熟練設計人員數量。因為類比電源設計人才短缺，因此許多數位設計人員已被要求補上這方面的技能。這個趨勢再加上 SMPS 設計日益複雜，更突顯出 SMPS 元件進一步整合的需求，以簡化流程。

Analog Devices, Inc. (ADI) 就於 2015 年推出 Silent Switcher^® 技術，以簡化 EMI 設計難題。其目標在於達到切換技術最佳化，同時簡化印刷電路板 (PCB) 的設計。第一代 Silent Switcher 裝置 (如 LT8640) 就採用銅柱覆晶封裝而非用焊線將裸晶連接到基板，藉此降低寄生電阻。更採用專為增進高頻效率而設計的動力裝置。

這些第一代裝置也將單一大電流「熱迴路」拆分為雙迴路，以逆向流動抵銷 EMI 傳播。單一大型熱迴路具有高寄生元件和強大磁場，會引發 EMI 輻射。Silent Switcher 裝置還整合了內部切換驅動器，可將切換功率損耗降至最低。

2017 年時 ADI 推出一款 Silent Switcher 2 架構的低 EMI 單晶片同步降壓轉換器。在這一代產品中，LT8640S-2 等裝置在新款 LQFN 封裝中整合了電容、熱迴路和接地面，藉此減少對外部元件的依賴。這可促成更小的解決方案尺寸，也消除 PCB 佈局的敏感性，進而達到更好的 EMI 效能。此外，Silent Switcher 2 裝置含有更多的銅柱和大型裸焊盤，因此可提高熱效能和效率。

2021 年時 ADI 推出更新的 Silent Switcher 3 架構以及 LT8627SP 同步降壓穩壓器，就具有超低頻雜訊效能、超快暫態響應、高切換頻率下高效率，同時還可維持超低 EMI。更提供一個裸晶頂部空間，可選擇連接散熱片，以適應高環境溫度應用。

Silent Switcher 3 μModule 穩壓器

Silent Switcher 3 技術如今已經融入到 ADI 的 μModule® 高度整合元件級封裝 (COP) 電源解決方案中。這種封裝可提供更好的熱效能，並進一步縮減整體解決方案的尺寸，進而促成小巧、高效且可靠的電源解決方案。

μModule 穩壓器的其他主要優勢包括節省時間，並可減少 DC/DC 穩壓器在設計、測試和驗證上所需的工作量。ADI 將控制器、功率 MOSFET、電感和其他支援元件整合到單一緊湊封裝中。可當作電源解決方案，用於多種電信、網路和工業設備應用、RF 電源供應器、低雜訊儀器，以及高速和高精度的數據轉換器。

LTM4702 (圖 1) 是一款完整的 8 A 降壓型 μModule 穩壓器，採用超緊湊的 6.25 × 6.25 × 5.07 mm BGA 封裝，並結合了 Silent Switcher 架構的穩壓器 IC，可達到低 EMI 和高效率。可在 3 至 16 V 的輸入電壓範圍內運作，並支援 0.3 至 5.7 V 的輸出電壓。

圖 1：ADI 的 LTM4702 μModule 在增強的緊湊封裝內整合了控制器、功率 MOSFET、電感和降壓轉換器用的其他支援元件。可在雜訊敏感型應用中減少對後置 LDO 的需求。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

可將多個 LTM4702 並聯運作，以產生更高的輸出電流。可將最多 12 個相位並聯，以反相方式同時運作，方法就是對各個 LTM4702 的 PHMODE 引腳進行編程，設定在不同的電壓位準。

此外，LTM4702 同步切換式穩壓器具有優異的低頻輸出雜訊 (10 Hz 至 100 kHz)。非常適合大電流和雜訊敏感型應用。此裝置採用恆定頻率 PWM 架構，並使用電阻，將 RT 引腳固定在接地，可透過編程，在 300 kHz 至 3 MHz 之間切換。

單一電阻就可設定 LTM4702 的輸出電壓，可在輸出電壓回授上上提供單位增益，並可達到幾乎恆定的輸出雜訊，不受輸出電壓影響。對絕大多數雜訊敏感型應用來說，LTM4702 無需後置穩壓 LDO 和 LC 濾波器，只需輸入和輸出電容即可完成設計。

EVAL-LTM4702-AZ 評估板 (圖 2) 可用於設定和評估 LTM4702 的效能。

圖 2：ADI 的 EVAL-LTM4702-AZ 評估板能為設計人員提供用於評估 LTM4702 效能的降壓 DC/DC 切換式轉換器。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

LTM8080 (圖 3) 是一款 40 V_IN、雙通道 500 mA 或單通道 1 A 的裝置，將兩個超高 PSRR LDO 穩壓器與一個 Silent Switcher DC/DC 穩壓器整合在一起，並用整合式 EMI 屏蔽加以分隔，裝入熱增強型 9 × 6.25 × 3.32 mm 包覆成型 BGA 封裝中。可支援 200 kHz 至 2.2 MHz 的切換頻率範圍以及 0 V 至 8 V 的輸出電壓範圍。

圖 3：ADI 的 LTM8080 μModule 在緊湊的封裝中整合了兩個 LDO，以及一個 Silent Switcher DC/DC 穩壓器，並在兩者之間加入 EMI 屏蔽。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

前端切換式穩壓器是一種非隔離式降壓切換式 DC/DC 電源供應器，可提供高達 1.5 A 的連續電流。後端 LDO 線性穩壓器採用 ADI 的超低雜訊 (10 kHz 時為 2 nV/√Hz) 和超高 PSRR (1 MHz 時為 76 dB) 架構。LDO 輸出可以並聯以增加輸出電流 

設計人員可以使用具有 4 至 40 V 寬廣工作電壓的 DC3071A (圖 4) 展示電路來評估 LTM8080。

圖 4：DC3071A 展示電路含有一個具有雙輸出的 LTM8080 μModule，各輸出都是可調整的 3.3 V/0.5 A。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

結論

ADI 的 Silent Switcher μModule 穩壓器能針對雜訊敏感型電子應用，提供因應 EMI 挑戰的強大解決方案。這些 μModule 穩壓器將先進的 Silent Switcher 3 技術整合到高度緊湊且高效的系統級封裝設計中，不僅簡化設計、提高熱效能，更可在絕大多數情況下省去 LDO 後置穩壓器。

從高速數據轉換器、RF 系統到醫療造影和工業設備，這些 μModule 穩壓器能讓工程師達到超低雜訊和高效率，且不像傳統 EMI 降低方法會增加複雜性。透過 LTM4702 和 LTM8080 等產品，Analog Devices 持續領先提供可滿足現代化電子產品嚴格要求的創新解決方案，即使在最講究雜訊的應用中也能確保達到可靠效能