由于DC/DC電源具有效率高、尺寸小的特點(diǎn),所以它們是首選的電壓轉(zhuǎn)換方法。不過效率提高引起了附帶的傳導(dǎo)和電磁干擾輻射(EMI)問題。這種EMI是轉(zhuǎn)換過程中進(jìn)行高頻切換的副產(chǎn)品。EMI在系統(tǒng)中引起噪聲,還可能導(dǎo)致難以滿足監(jiān)管規(guī)范。有很多要求苛刻的應(yīng)用需要在電源噪聲極低的情況下工作。
人們已經(jīng)采用了許多處理開關(guān)噪聲的方法,包括采用更加復(fù)雜的拓?fù)洹⒃黾宇~外的組件和材料以濾除或屏蔽高頻分量的影響、仔細(xì)考慮印刷電路板布局、讓開關(guān)頻率產(chǎn)生高頻顫動(dòng)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(zhǎng)。
開關(guān)穩(wěn)壓器控制器LT1683和LT1738通過控制主開關(guān)的電流和電壓轉(zhuǎn)換率,在問題的源頭降低了噪聲。讓這些轉(zhuǎn)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(shè)置轉(zhuǎn)換率,以在噪聲和轉(zhuǎn)換器效率之間取得平衡,最佳設(shè)置僅需損失幾個(gè)百分點(diǎn)的效率。因?yàn)樵谠搭^的問題得到解決,所以設(shè)計(jì)可以更簡(jiǎn)單、更堅(jiān)固。LT1683加上兩個(gè)外部MOSFET開關(guān)實(shí)現(xiàn)推挽拓?fù)?而LT1738用單個(gè)外部MOSFET實(shí)現(xiàn)單開關(guān)拓?fù)洹Ｒ驗(yàn)殚_關(guān)在外部,所以用戶可以完全控制電源的電壓和電流轉(zhuǎn)換率。
轉(zhuǎn)換控制的魅力
典型開關(guān)電壓方波信號(hào)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(zhuǎn)換而成為梯形,則將在1/tSLEW產(chǎn)生第二個(gè)20dB/dec滾降(其中,tSLEW是波形轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間)。
在開關(guān)模式電源中,大多數(shù)EMI/噪聲都是因電源開關(guān)的切換動(dòng)作產(chǎn)生的。為了實(shí)現(xiàn)高效率,一般都盡可能突然地進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換,但是讓這些轉(zhuǎn)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(zhàn)是如何準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換開關(guān)電壓和開關(guān)電流。電壓轉(zhuǎn)換往往在開關(guān)中產(chǎn)生容性耦合,而電流轉(zhuǎn)換則產(chǎn)生磁性耦合。減輕這兩種耦合對(duì)形成噪聲非常低的開關(guān)是至關(guān)重要的。
在有電感負(fù)載的普通切換周期中,開關(guān)接通,電流上升直到開關(guān)從電感器吸取電流,然后電壓開始下降。因此,我們希望對(duì)電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換,然后平穩(wěn)地切換至電壓轉(zhuǎn)換。開關(guān)斷開時(shí),過程應(yīng)該是相反的。
LT1683和LT1738用雙反饋環(huán)路進(jìn)行轉(zhuǎn)換控制。圖1象征性地顯示了單通道的樣子。電壓轉(zhuǎn)換控制由一個(gè)使用外部電容器Cv的簡(jiǎn)單積分器以及充電或放電電流IVSL完成,IVSL基于用戶定義的外部電阻RVSL。
圖1:LT1683/LT1738轉(zhuǎn)換控制(單通道)。
電流轉(zhuǎn)換控制用以下方法進(jìn)行。檢測(cè)電阻上產(chǎn)生的電壓被放大并通過內(nèi)部電容器Cc差分化。這樣Cc中的電流就與dl/dt成正比。這個(gè)電流的值限制為ICSL,ICSL基于用戶定義的外部電阻RCSL。Cc中的電流幅度轉(zhuǎn)換為與IVSL成正比的電流,并加到積分節(jié)點(diǎn)(Cap引腳)上以控制開關(guān)。在這種方法中,轉(zhuǎn)換率既受到調(diào)節(jié),相互之間又有聯(lián)系,以實(shí)現(xiàn)快速和高效率的通斷轉(zhuǎn)換。
超低噪聲48V至5V轉(zhuǎn)換器
圖2是在推挽正向轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲胁捎肔T1683的轉(zhuǎn)換器原理圖。LT1683含有所有轉(zhuǎn)換器所需的控制電路:振蕩器、誤差放大器、柵極驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)電路。從漏極到Cap A和Cap B的電容分壓器網(wǎng)絡(luò)可以提供一個(gè)有效的電容器,用于電壓轉(zhuǎn)換率反饋。電流轉(zhuǎn)換反饋在LT1683內(nèi)部進(jìn)行,并用CS電壓作為其反饋(開關(guān)電流)。
圖2:LT1683推挽式轉(zhuǎn)換器。
推挽拓?fù)涓舆B續(xù)地從輸入吸取電流,從而降低了傳導(dǎo)輻射,因此對(duì)低噪聲開關(guān)是可取的。該轉(zhuǎn)換器的輸出噪聲如圖3所示。下面的波形是穩(wěn)壓器的輸出電壓。噪聲由開關(guān)的基頻主導(dǎo)。當(dāng)這個(gè)分量由附加濾波器進(jìn)一步濾除后,很明顯地看到,開關(guān)幾乎沒什么噪聲了,在2A輸出(帶寬＝100MHz)時(shí)殘留噪聲為微小的200μVP-P。
LT1683有很多保護(hù)功能。首先,SHDN引腳向電源提供欠壓閉鎖,確保在允許轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)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(shí)接通。CS引腳檢測(cè)過大的開關(guān)電流,電流過大時(shí)MOSFET將斷開。由于電壓轉(zhuǎn)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(guān)振鈴幅度和持續(xù)時(shí)間縮減了80%以上。
超低噪聲5V至12V升壓型轉(zhuǎn)換器
圖4所示是采用LT1738的5V至12V/1A升壓型轉(zhuǎn)換器。單個(gè)開關(guān)提供更簡(jiǎn)單的解決方案,代價(jià)是噪聲略有提高。圖5顯示了1A時(shí)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(zhuǎn)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(guān)的靈活性。這個(gè)電路采用LT1738和單個(gè)高壓MOSFET,是一個(gè)AC電壓(90VAC至264VAV)至12V/的轉(zhuǎn)換器。其基本拓?fù)涫欠醇な睫D(zhuǎn)換器,該轉(zhuǎn)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(guī)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(jié)
凌力爾特公司已經(jīng)開發(fā)出兩個(gè)控制器,以幫助設(shè)計(jì)師應(yīng)對(duì)超低噪聲應(yīng)用。LT1683和LT1738不僅具有普通的控制器功能,還能限制開關(guān)中的主要EMI分量,因此非常容易降低輸出噪聲。DC/DC轉(zhuǎn)換器可用于精密儀表、噪聲敏感的寬帶通信設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域,而沒有與普通轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)方案有關(guān)的噪聲影響不確定的問題。
Rick Brewster
高級(jí)設(shè)計(jì)工程師
凌力爾特公司
