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      单片式开关稳压器——当所有一切都集成在芯片上时

      2020-09-30 Frederik Dostal 阅读:
      开关稳压器可以采用单片结构,也可以通过控制器构建。在单片式开关稳压器中,各功率开关(一般是MOSFET)会集成在单个硅芯片中。使用控制器构建时,除了控制器IC,还必须单独选择半导体和确定其位置。选择MOSFET非常耗费时间,且需要对开关的参数有一定了解。

      开关稳压器可以采用单片结构,也可以通过控制器构建。在单片式开关稳压器中,各功率开关(一般是MOSFET)会集成在单个硅芯片中。使用控制器构建时,除了控制器IC,还必须单独选择半导体和确定其位置。选择MOSFET非常耗费时间,且需要对开关的参数有一定了解。使用单片式设计时,设计人员无需处理这些问题。此外,相比高度集成的解决方案,控制器解决方案通常会占用更多的电路板空间。所以,毫不意外多年来人们越来越多地采用单片式开关稳压器,如今,即使对于更高功率,ADI公司也有大量的解决方案可供选择。图1左侧是单片式降压转换器,右侧是控制器解决方案。AO3ednc

      说明: A screenshot of a cell phoneDescription automatically generatedAO3ednc

      1.单片式降压转换器(左);带外部开关的控制器解决方案(右)AO3ednc

      虽然单片式解决方案需要的空间较少,也简化了设计流程,但另一方面,控制器解决方案的优势是更加灵活。设计人员可以为控制器解决方案选择经过优化、适合特定应用的开关管,也可以控制开关管的栅级,所以能够通过更巧妙地部署无源组件来影响开关边沿。此外,控制器解决方案适合高功率,因为可以选择大型分立式开关管,且开关损耗会远离控制器IC。AO3ednc

      但是,除了这些熟知的单片式解决方案的有利和不利因素之外,还有一个因素容易忽略。在开关稳压器中,所谓的热回路是实现低辐射的决定因素。在所有开关稳压器中,应尽量优化EMC。实现优化的基本原则之一是:最小化各个热回路中的寄生电感。在降压转换器中,输入电容和高压侧开关之间的路径,高压侧开关和低压侧开关之间的连接,以及低压侧开关和输入电容之间的连接都是热回路的一部分。它们都是电流路径,其中的电流随开关切换的速度而变化。通过快速的电流变化,因寄生电感形成电压偏移,可以作为干扰耦合到不同的电路部分。AO3ednc

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      2.单片式开关稳压器(左)和带控制器IC的解决方案(右),每个都有一些不同形式的热回路AO3ednc

      所以,这些热回路中的寄生电感必须保持尽可能低。图2用红色标出各热回路路径,左侧为单片式开关稳压器,右侧为控制器解决方案。我们可以看到,单片式解决方案具有两大优势。一,其热回路比控制器解决方案的热回路小。二,高压侧开关和低压侧开关之间的连接路径非常短,且只在硅芯片上完成走线。两者相比,对于带控制器IC的解决方案,连接的电流路径必须通过封装的寄生电感布线,通常采用的键合线和引线框架具有寄生电感。这会导致更高的电压偏置,以及更差的EMC性能。AO3ednc

      结论

      因此,单片式开关稳压器具备额外的,少为人知的EMI优势。这种干扰有多强,对电路有什么影响,具体取决于许多其他参数。但是,就EMC性能而言,单片式开关稳压器和带控制器IC的解决方案之间存在差异,这一点值得考虑。AO3ednc

      作者简介

      Frederik Dostal曾就读于德国埃尔兰根大学微电子学专业。他于2001年开始工作,涉足电源管理业务,曾担任多种应用工程师职位,并在亚利桑那州凤凰城工作了四年,负责开关模式电源。他于2009年加入ADI公司,并在慕尼黑ADI公司担任电源管理现场应用工程师。联系方式:frederik.dostal@analog.comAO3ednc

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