通過降低電源對電容的要求來解決MLCC短缺問題

在全球范圍內(nèi)，多層陶瓷電容(MLCC)供不應(yīng)求。很大部分原因是因為手機(jī)的電子復(fù)雜性提高、電動汽車的銷售量增加，以及全球各行各業(yè)電子內(nèi)容的擴(kuò)展。相比幾年前，一些智能手機(jī)的MLCC用量翻了一番；相比使用典型的現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的汽車，電動汽車的MLCC用量增加至少4倍（圖1）。MLCC從2016年底開始缺貨，這使得生產(chǎn)大電容值產(chǎn)品（幾十μF或更高）變得尤其困難，而最新電子器件采用的高能電源需要這種電容才能運(yùn)行。制造工廠想要降低MLCC要求不可避免地想要從電源的電容要求著手，尤其是開關(guān)穩(wěn)壓器的電容。因此，電源設(shè)計人員成為解決電容短缺問題的關(guān)鍵。

（a）

（b）

圖1.全球范圍內(nèi)電動汽車(a)和手機(jī)(b)對MLCC的用量增加，但生產(chǎn)量沒有相應(yīng)增加，導(dǎo)致MLCC缺貨。¹

電源電路使用電容——大量電容

典型的直流-直流降壓變換器使用下列電容（參見圖2）：

? 輸出電容：在負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)期間，平緩輸出電壓波紋和電源負(fù)載電流。一般使用幾十μF到100 μF的大電容。

? 輸入電容：除了穩(wěn)定輸入電壓之外，它還被用于輸入電流的即時供應(yīng)。一般在幾μF到幾十μF之間。

? 旁路電容：吸收開關(guān)操作產(chǎn)生的噪聲和來自其他電路的噪聲。一般在0.01 μF到0.1 μF之間。

?補(bǔ)償電容：保證反饋回路中的相位裕量并防止振蕩。通常為幾百pF或幾十nF。有些開關(guān)穩(wěn)壓器IC中采用了補(bǔ)償電容。

降低電容的最好方法是想辦法最小化輸出電容的數(shù)量。本文接下來將介紹減少輸入電容的策略方法，然后介紹降低旁路電容要求，以及，在一定程度上，減少輸入電容的解決方案。

圖2.典型降壓穩(wěn)壓器使用的電容。

增加開關(guān)頻率，以降低輸出電容

圖3a顯示的是典型的電流模式降壓變換器的框圖，下部電路區(qū)域表示反饋回路和補(bǔ)償電路。

反饋回路的特性如圖3b所示。回路增益為0 dB（增益=1）時的頻率被稱為交越頻率(f_C)。交越頻率越高，穩(wěn)壓器的負(fù)載階躍響應(yīng)性能越出色。例如，圖4顯示的是支持負(fù)載電流從1A快速增加到5A的穩(wěn)壓器的負(fù)載階躍響應(yīng)。所示結(jié)果對應(yīng)的交越頻率為20 kHz和50 kHz，分別導(dǎo)致60 mV和32 mV壓降。

（a）

（b）

圖3.典型降壓穩(wěn)壓器(a)的框圖和典型的反饋特性(b)。

圖4.比較采用兩種交越頻率時，降壓穩(wěn)壓器的負(fù)載階躍響應(yīng)。

從表面上看，提高交越頻率似乎是個簡單方法：可以通過最小化輸出壓降來改善負(fù)載階躍響應(yīng)，從而減少輸出電容數(shù)量。但是，提高交越頻率會導(dǎo)致兩個問題。第一，需要保證反饋回路具備足夠的相位裕量，以防止振蕩。一般來說，采用該交越頻率時，需要45°或更高（最好是60°或以上）的相位裕量。

第二，需要注意開關(guān)頻率(f_SW)和f_c之間的關(guān)系。如果它們的幅度相當(dāng)，負(fù)反饋會響應(yīng)輸出電壓波紋，從而影響到穩(wěn)定運(yùn)行。作為一項指導(dǎo)，可以將交越頻率設(shè)置為開關(guān)頻率的1/5（或更低），如圖5所示。

圖5.如果開關(guān)頻率和控制回路交越頻率太過接近，負(fù)反饋可能響應(yīng)輸出電壓波紋。最好是讓交越頻率低于開關(guān)頻率1/5。

要增加交越頻率，需要同時增加開關(guān)頻率，但是，這會導(dǎo)致頂部和底部FET的開關(guān)損耗增加，會降低轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)生更多熱量。在電容上實現(xiàn)的節(jié)省會因為增加散熱元件帶來的復(fù)雜性抵消：比如鰭狀散熱器、風(fēng)扇或額外的板空間。

是否能夠在高頻率下保持高效率？答案是肯定的。使用ADI公司提供的Power by Linear?穩(wěn)壓器IC就可以達(dá)到這種效果，這些穩(wěn)壓器IC采用獨(dú)特的FET控制功能，在更高開關(guān)頻率下也能保持高效率（圖6）。

例如，LT8640S 6 A輸出降壓穩(wěn)壓器在操作頻率為2 MHz時（12V輸入和5V輸出），在整個負(fù)載范圍內(nèi)（0.5 A至6 A）能保持高于90%的效率。

這個穩(wěn)壓器也可以通過減少電流波紋(ΔI_L)來降低電容要求，從而降低輸出波紋電壓(ΔV_OUT)，如圖7所示?；蛘?，使用更小的電感。

開關(guān)頻率更高時，可以增加交越頻率，以改善負(fù)載階躍響應(yīng)和負(fù)載調(diào)整，如圖8所示。

圖6.Power by Linear穩(wěn)壓器與競爭產(chǎn)品。對于典型的穩(wěn)壓器，開關(guān)頻率增高時，效率會下降。ADI的Power by Linear穩(wěn)壓器可以在非常高的操作頻率下保持高效率，因而支持使用值更小的輸出電容。

圖7.通過增加開關(guān)頻率來減小電容和電感的尺寸。

圖8.增加開關(guān)頻率可以改善負(fù)載階躍響應(yīng)。

Silent Switcher穩(wěn)壓器可以大幅降低旁路電容

如果減少旁路電容的數(shù)量，會如何？旁路電容主要被用于吸收開關(guān)操作產(chǎn)生的噪聲。如果能從其他方面降低開關(guān)噪聲，就可以減少旁路電容的數(shù)量。有一個特別簡單的方法可以實現(xiàn)這種效果，即使用Silent Switcher^?穩(wěn)壓器。

Silent Switcher穩(wěn)壓器如何降低開關(guān)噪聲？開關(guān)穩(wěn)壓器具有兩個電流回路：頂部FET開啟，底部FET關(guān)閉（紅色回路）；頂部FET關(guān)閉，底部FET開啟（藍(lán)色回路），如圖9所示。熱回路傳輸完全開關(guān)的交流電流，也就是說，從0切換到I_PEAK，然后回到0。它具備最高的交流和EMI能源，會產(chǎn)生最強(qiáng)變化的磁場。

圖9.開關(guān)穩(wěn)壓器中的熱回路會因為本身產(chǎn)生的交變磁場而導(dǎo)致大量輻射噪聲。

可以使用壓擺率控制來降低柵級信號變化的頻率（降低di/dt），以便抑制開關(guān)噪聲。這種方法雖然能夠抑制噪聲，但會增加開關(guān)損耗，導(dǎo)致產(chǎn)生更多熱量，在之前所述的高開關(guān)頻率下尤其如此。壓擺率控制在某些條件下是有效的，ADI公司也提供包含這種控制的解決方案。

Silent Switcher穩(wěn)壓器可以抑制熱回路中產(chǎn)生的電磁噪聲，但不是使用壓擺率控制。而是將V_IN引腳一分為二，令熱回路可以分成兩個對稱的熱回路。產(chǎn)生的磁場被限制在靠近IC的區(qū)域，其他位置大幅降低，從而最大限度地降低輻射開關(guān)噪聲（圖10）。

圖10.獲得專利的Silent Switcher技術(shù)。

LT8640S是Silent Switcher技術(shù)的第二代，即Silent Switcher 2（圖11），IC內(nèi)部集成高頻輸入電容。這可以確保最大限度地抑制噪聲，因此也無需如以前一樣非常小心地在布局中確定輸入電容的位置。毫無疑問，這也會降低對MLCC的要求。另一項功能——展頻，會通過動態(tài)改變開關(guān)頻率來降低噪聲峰值。LT8640S兼具這些功能，因此能夠輕松滿足CISPR 25 5級EMC汽車標(biāo)準(zhǔn)（圖12）。

圖11.ADI公司提供的Silent Switcher 2技術(shù)在IC中集成輸入電容，由此簡化布局和提升噪聲抑制性能。

圖12.在Silent Switcher 2器件（例如LT8640S）中采用這些降噪功能使得產(chǎn)品能夠輕松滿足CISPR 25 5級峰值限值標(biāo)準(zhǔn)，甚至降低輸入和旁路電容。

結(jié)論

ADI公司提供的Power by Linear器件有助于降低MLCC要求，從而幫助設(shè)計人員解決MLCC短缺問題?？梢酝ㄟ^使用高頻率操作來降低輸出電容要求，同時保持出色的高效率。采用Silent Switcher架構(gòu)的器件可以大幅抑制EMI噪聲，從而降低旁路電容要求。Silent Switcher 2器件進(jìn)一步降低了對MLCC的需求。

參考資料

1 Robin Blackwell?！巴顿Y演示，2018年2月?！盞EMET，2018年2月。

2 LT8640S數(shù)據(jù)手冊。ADI公司，2017年6月。

3 Seago, John?！癘PTI-LOOP架構(gòu)降低了輸出電容，改善了瞬態(tài)響應(yīng)?！盇DI公司，2007年8月。

4 Zhang, Henry J. “開關(guān)模式電源的模型和回路補(bǔ)償設(shè)計。”ADI公司，2016年2月。

作者簡介

Atsuhiko Furukawa于2006年加入凌力爾特（現(xiàn)在已成為ADI公司的一部分）。10多年以來，他一直為中小型客戶提供多種應(yīng)用技術(shù)支持。2017年，他被調(diào)到汽車部門，現(xiàn)在主要負(fù)責(zé)設(shè)計大型（幾kW）和小型安全汽車應(yīng)用。Atsuhiko是一名馬拉松長跑健將，取得的最好成績是3小時3分鐘。