打破迷思：高電流切換式穩壓器 IC 的雜訊可降至接近 LDO 的數值

即便身處科技日異月新的世界，有一些老生常談所蘊含的「傳統智慧」和臆斷，仍在這大幅進展的社會中歷久不衰。我偶爾還是會聽到老一輩的人說，延長充電式電池壽命的方法，就是將電池完全放電後再充電。雖然這種說法對傳統的鎳鎘 (NiCad) 化學電池來說是正確的，但若要延長目前鋰電池的壽命，這種作法絕對錯誤，且實際上相當有害。

同樣的誤解也存在於降壓 DC-DC 切換式穩壓器，特別是對那些以較高輸入電壓 (幾十伏) 運作，且提供較高電流 (高達 10 A) 的穩壓器。人們通常會認為採用線性、非切換式拓撲的低壓降穩壓器 (LDO) 幾乎沒有雜訊，但效率極低。相對地，切換式穩壓器 (切換器) 則雜訊較大，但效率很高。

對切換器的疑慮，其實不僅止於原本臆測的雜訊問題。儘管這類產品的效率很高 (在負載「最佳點」工作時，效率通常約超過 85%)，但往往也有三樣缺點：

1：會產生電氣雜訊，且主要在 (但並非全部在) 其切換頻率及諧波上。

2：暫態響應較差且容易不穩定和振盪，除非其封閉迴路響應已根據應用進行仔細調整。

3：高功率型產品需要外部 MOSFET，並當作切換型裝置控制器，而非搭載內部 MOSFET 的穩壓器，因此需要更多的元件和電路板空間。

然而，在近期的進展與創新拓撲下，情況已經改變，如同 Analog Devices 的 LT8645S、LT8646S 與 LT8645S-2 這三款類似的 65 V 單晶片 Silent Switcher 同步降壓穩壓器所展示，且各可支援 8 A 的輸出 (圖 1)。

圖 1：Silent Switcher 降壓穩壓器的內部功能方塊圖可顯示其複雜性，但未展現用來達到重大效能改進的技術細節。(圖片來源：Analog Devices)

這三款裝置具有微小但明顯的差異，使用者可以挑選與其應用最匹配的配置 (圖 2)。

圖 2：這三款切換式穩壓器非常相似，但在配置上有一些細微差異，而這些差異對特定應用來說，可能非常重要。(圖片來源：Analog Devices)

首先讓我們看一下雜訊，因為這是切換式穩壓器最常提到的問題。良好的 LDO 無疑具有出色的低雜訊輸出，但上述經過改進的切換式穩壓器也具有令人驚艷的相近效能。

為什麼要擔心雜訊？

穩壓器輸出的雜訊對系統效能有多方面的不良影響：

• 會影響負載 IC 的一致性和可靠效能，尤其是以較低電軌電壓運作、電源餘裕相當小的電路。
• 這會降低類比訊號的精確度 (如感測器前端的訊號)，進而影響最終可達到的效能水準。
• 輸出電軌雜訊可能會產生輻射和傳導電磁干擾 (EMI)。輻射雜訊尤其令人擔憂，因爲可能會導致最終產品無法滿足眾多應用特定要求中的一項或多項 (例如廣泛使用的 CISPR 25 輻射 EMI 測試)。

無需擔心

藉由設計，Analog Devices 的 Silent Switcher 架構可確保低雜訊，進而達到卓越的 EMI 效能。此外，作爲單晶片元件，印刷電路板 (PCB) 的佈局不會影響此效能，這是因為已從設計上消除了元件和佈局所引發的 EMI。

Silent Switcher 穩壓器如何達成此結果？設計人員會仔細研究時脈及其他的雜訊源，然後設計出對應之道。兩個主要的雜訊來源就是切換式架構中固有的所謂「熱迴路」，以及走線電感和振鈴。

爲了因應熱迴路，Silent Switcher 的設計將熱迴路分成兩個相互平衡的迴路，使其電流有效地相互抵銷。爲了因應走線電感的問題，在晶片上整合旁路電容，就可避免與 PCB 走線電感和振鈴相關的問題，同時還可消除外部元件及其位置的變異性，進而確保效能。如此一來，輻射放射效能就可輕鬆符合 CISPR 25 限值 (圖 3)。

圖 3：在消除熱迴路問題以及增加整合式旁路電容等改進措施下，Silent Switcher 穩壓器的輻射可遠於法規的最大值。(圖片來源：Analog Devices)

值得注意的是，這些裝置的傳導雜訊也很低，只是法規並未嚴格要求。此外，可使用鐵氧體磁珠輕鬆降低傳導雜訊，但輻射雜訊則較難衰減，甚至可能需要使用昂貴且複雜的屏蔽。

除此之外，這些切換式穩壓器的設計也有助於改善暫態響應。可提供清晰精密的穩壓 (即便負載會偏移)，並在多種工作條件下，保持迴路穩定性 (圖 4)。爲了提升靈活性，LT8646S 裝置可進行外部電阻電容 (RC) 補償，以便設計人員達到最佳化暫態響應。

圖 4：Silent Switcher 穩壓器的設計還可達到快速、清晰且一致的暫態響應，即使負載發生改變，仍可確保提供穩定可靠的 DC 輸出軌。(圖片來源：Analog Devices)

最後，整合式高功率 MOSFET 可帶來多種優勢：

• 由於少了 MOSFET 的 PCB 走線，因此可降低雜訊放射。
• 輸入電源到輸出軌之間可維持一致的效能，完全符合規格書所述規格。
• 這些 8 A 穩壓器的整體覆蓋區更小，採用 6 mm × 4 mm LQFN 封裝，且僅需幾個小型被動元件即可構建完整電路 (圖 5)。

圖 5：以 LT8645S-2 (或本系列中其他零件) 為基礎構建的完整電源穩壓器子系統，不但結構緊湊，而且物料清單 (BOM) 的品項也很少。(圖片來源：Analog Devices)

最後一個重要問題：使用這些高電壓、高電流 Silent Switcher 穩壓器時，是否在效率上有所折衷或降低？畢竟，採用切換器而非線性電源的主要原因就是追求高效率。

答案相當簡單：這些裝置的效率，與雜訊更大的穩壓器效率處於同一範圍內 (圖 6)，亦即介於大約 90% 到 96%；1 A 到 8 A (最大值) 之間；而「最佳點」則介於 2 到 4 A 之間。

圖 6：8 A Silent Switcher 穩壓器的效率約爲 95%，但電流輸出值的極低和極高端除外。(圖片來源：Analog Devices)

結論

切換式穩壓器具有高效率這項非常重要的優點，但也可能會帶來輻射雜訊，這對電路、系統和法規要求來說並不樂見。Analog Devices 的 Silent Switcher DC-DC 穩壓器採用創新的架構，可克服傳統切換式穩壓器在這方面及其他方面的缺點，而不會影響所需的效能屬性。

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Analog Devices, “Monolithic 65V, 8A Step-Down Regulators with Fast Transient Response and Ultralow EMI Emissions”

https://www.analog.com/en/design-notes/monolithic-65v-8a-step-down-regulators-with-fast-transient-response-and-ultralow-emi-emissions.html

Analog Devices, “What Actually Is a Hot Loop?”

https://www.analog.com/en/technical-articles/what-actually-is-a-hot-loop.html