由于DC/DC電源具有效率高、尺寸小的特點,所以它們是首選的電壓轉換方法。不過效率提高引起了附帶的傳導和電磁干擾輻射(EMI)問題。這種EMI是轉換過程中進行高頻切換的副產品。EMI在系統中引起噪聲,還可能導致難以滿足監管規范。有很多要求苛刻的應用需要在電源噪聲極低的情況下工作。

人們已經采用了許多處理開關噪聲的方法,包括采用更加復雜的拓撲、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、讓開關頻率產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。

開關穩壓器控制器LT1683和LT1738通過控制主開關的電流和電壓轉換率,在問題的源頭降低了噪聲。讓這些轉換率受到控制,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。用戶以最佳方式設置轉換率,以在噪聲和轉換器效率之間取得平衡,最佳設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,所以設計可以更簡單、更堅固。LT1683加上兩個外部MOSFET開關實現推挽拓撲,而LT1738用單個外部MOSFET實現單開關拓撲。因為開關在外部,所以用戶可以完全控制電源的電壓和電流轉換率。

轉換控制的魅力

典型開關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換而成為梯形,則將在1/t_SLEW產生第二個20dB/dec滾降(其中,t_SLEW是波形轉換所需的時間)。

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

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

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

圖1:LT1683/LT1738轉換控制(單通道)。

電流轉換控制用以下方法進行。檢測電阻上產生的電壓被放大并通過內部電容器C_c差分化。這樣C_c中的電流就與dl/dt成正比。這個電流的值限制為I_CSL,I_CSL基于用戶定義的外部電阻R_CSL。C_c中的電流幅度轉換為與I_VSL成正比的電流,并加到積分節點(Cap引腳)上以控制開關。在這種方法中,轉換率既受到調節,相互之間又有聯系,以實現快速和高效率的通斷轉換。

超低噪聲48V至5V轉換器

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

圖2:LT1683推挽式轉換器。

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

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電流,電流過大時MOSFET將斷開。由于電壓轉換控制的原因,免除了MOSFET漏極上的箝位電路或減振器,而且,開關振鈴幅度和持續時間縮減了80%以上。

超低噪聲5V至12V升壓型轉換器

圖4所示是采用LT1738的5V至12V/1A升壓型轉換器。單個開關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400μVP-P。

圖3:圖2電路的5V輸出噪聲。

圖4:采用LT1738的5V至12V/1A升壓型轉換器。

圖5:圖4電路的12V輸出電壓噪聲。

超低噪聲30W離線式電源

圖6顯示了采用外部開關的靈活性。這個電路采用LT1738和單個高壓MOSFET,是一個AC電壓(90VAC至264VAV)至12V/的轉換器。其基本拓撲是反激式轉換器,該轉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:超低噪聲30W離線式電源。

輸入濾波器用來衰減低頻諧波,以使電源符合FCC B類法規要求。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。

本文小結

凌力爾特公司已經開發出兩個控制器,以幫助設計師應對超低噪聲應用。LT1683和LT1738不僅具有普通的控制器功能,還能限制開關中的主要EMI分量,因此非常容易降低輸出噪聲。DC/DC轉換器可用于精密儀表、噪聲敏感的寬帶通信設備等應用領域,而沒有與普通轉換器設計方案有關的噪聲影響不確定的問題。

Rick Brewster
高級設計工程師
凌力爾特公司