【導讀】作為電子系統中必不可少的部分，電源模塊極最常見，同時也是極考驗硬件工程師功力的部分之一。電源模塊是電子系統中對電能實現轉換、分配、控制和監測等功能的子系統，整個電子系統的功耗、性能、成本和體積都與電源模塊設計直接相關。現代大型電子系統正在向高集成、高速、高增益、高可靠性方向發展，電源上的微小干擾都會對電子設備性能產生影響，這就需要設計出低噪聲、抗紋波能力強的電源模塊；而在便攜式設備中，電池供電情況越來越多，這就對續航時間提出了高要求，這通常對應著其電源模塊高效、高可靠和低靜態電流的極致要求。
總之，電源模塊設計是電子系統性能發揮的基礎，只有做好系統的電源模塊設計之后，才有機會去追求性能和穩健地實現系統的所有功能。而電源模塊設計極為重要的就是如何選合適的芯片和技術方案。通常，根據電源模塊中各個支路的情況，確定輸入和輸出電壓差，然后根據應用需求，在效率指標、散熱限制、噪聲要求、系統復雜性和成本等多個條件約束下，就能選出最合適的電源芯片，然后根據選定的電源芯片來實現相應的電源轉換與分配的功能。
根據應用場景，電源模塊可以分為交流到直流（AC-DC）轉換電源模塊和直流到直流（DC-DC）轉換電源模塊，其中AC-DC電源模塊通常用于直接用市電的設備，而DC-DC電源模塊則只能接入直流電源，然后在直流電源輸入的基礎上去分壓或升壓，為系統各模塊供應所需的電壓和電流。
而根據工作原理上，電源芯片可分為線性電源芯片和開關電源芯片。線性電源也被稱為低壓差線性穩壓器（Low Drop Out Regulator，簡稱LDO）芯片，其原理是通過晶體管壓降來調節輸出電壓，只能實現降壓輸出，無法實現升壓輸出，與開關電源芯片相比，LDO通常具有體積小、噪聲低、使用方便等特點。
開關電源芯片采用脈寬調制（PWM）方式工作，可實現升降壓輸出，而且效率高、功耗低，但由于采用PWM方式工作，所以會產生電磁干擾（EMI），因而通常噪聲也比相對應的LDO要大。
按實現方法，開關電源可分為兩類，即電感式DC-DC電源芯片與基于開關電容的DC-DC變換器（即電荷泵式DC-DC芯片）。電荷泵式DC-DC芯片采用電容作為開關和儲能元件，與電感式DC-DC電源芯片相比，具有效率高、體積小、靜態電流低、輸出電壓調節范圍寬、Vmin低、噪聲低和EMI低等優點，而且電容比電感更易于集成，因而電荷泵式電源芯片可以實現更高集成度。在小功率應用中，電荷泵式DC-DC開關電源芯片具有很大優勢，但電荷泵式電源芯片不適合高電壓、大功率場景，因而在高功率應用中，電感式DC-DC電源芯片還居于主導地位。
在有高性能處理器、大型FPGA等大芯片的復雜系統中，由于電流消耗可達數安培到幾十安培，通常需要組合使用開關電源和LDO。復雜系統中易受干擾的模擬電路，通常由LDO芯片來供電；且數字部分因為電流大因而對效率要求高，而數字電路本身抗干擾性更強，因此更適合用開關電源來供電。開關電源、LDO和各種保護器件與被動元件的組合，構建起了復雜系統的電源分布式體系。
總之，LDO和開關電源是所有電子設備中電源模塊的核心，電子系統發展也對電源芯片提出了更高要求，研發人員不斷嘗試更新的制造工藝、封裝技術與電路拓撲，以達到更極致的性能或體積、成本等其他指標。下面我們就從電源芯片的發展趨勢來看一看該如何選擇合適的電源芯片。
更小靜態電流——實現更低損耗
手機（含智能手機和功能機）每年出貨量近20億部，筆記本電腦每年出貨量過億臺，而隨著物聯網技術發展，越來越多的電池供電設備接入網絡，這些設備典型工作狀態為短暫激活，相對較長時間休眠，通常需要在不更換電池的情況下，工作一整年，甚至三到五年。此類應用對電源芯片提出極高要求，既要有極低的靜態電流，以保持輕載或無負載時的電源效率，滿足設備對電池供電長續航時間的要求，又得滿足重負載情況下系統對供電能力的要求，要做好并不容易。
貿澤電子在售的來自制造商Analog Devices（ADI）的LT3009，就是一款可以同時滿足微安（uA）級靜態工作電流與20毫安（mA）大驅動能力的LDO芯片。具體來看，LT3009無負載靜態電流為3uA，可以在280mV壓差（輸入/輸出）情況下提供20mA輸出電流，輸入電壓范圍為1.6V至20V，輸出電壓范圍為0.6V至19.5V。此外，LT3009僅需要1uF的電容就可以保證輸出電源的穩定性和瞬時響應，內部集成了限流、限溫、電池接反保護和反向電流保護等防護功能，可有效保證便攜設備的用電安全。
圖1：LT3009壓降與靜態電流關系
（圖源：ADI）
總體來看，LT3009非常適合既需要超低待機功耗，又能支持中等強度驅動能力的應用場景，除了常見的手持設備，還可用于氣表、水表和門禁等應用。LT3009在節能方面尤其出色，負載增加時，接地腳的電流永遠不超過輸出電流的5%，而在關機時，靜態電流低于1uA。
圖2：LT3009典型應用電路
（圖源：ADI）
更低EMI
降低EMI（電磁干擾）主要針對開關電源芯片（Switch Regulator）。開關電源芯片由于工作在脈寬調制狀態，開關頻率多為幾百KHz到數MHz，甚至更高，因而開關電源本身是干擾源。如果開關電源電路在實現時參數設置不理想，將會加重其發出的電磁干擾，有時候設備電磁兼容性測試通不過，可能就因為開關電源部分沒處理好。
在設備電路板上降低EMI的方法主要有加屏蔽或加濾波（電路可改造），降低開關波形上升斜率，如果芯片具備展頻功能則還可以打開展頻功能，以及修改PCB走線。總體上板級優化EMI的方法都有代價，例如增加成本或者影響電源性能。最好的解決方法，是開關電源芯片本身充分考慮了板級實現時的電磁干擾問題，在芯片級將EMI問題解決掉，成本低，系統性能也不會受到影響。
ADI的Silent Switcher技術，即在芯片級大幅改善了開關電源的EMI表現，從而可以在不影響電源性能的前提下有效地降低EMI，而且不增加外部元器件，是一種簡單高效的低成本解決方法。
圖3：傳統電流回路拓撲（左）與Silent Switcher拓撲（右）（圖源：ADI）
在原理上，ADI的Silent Switcher技術將形成兩個對稱分布的電流回路，這兩個回路產生的磁場方向相反，因而能量相互抵消，從而模塊電氣回路對外沒有凈磁場。所以，Silent Switcher技術無須降低晶體管開關速度，解決了EMI和效率之間的互斥問題。
圖4：Silent Switcher電磁場示意圖
（圖源：ADI）
此外，Silent Switcher技術采用銅柱倒裝封裝工藝，可以大幅降低芯片管腳寄生阻抗，因此不僅可以減小EMI，還可以提升開關電源的效率。
圖5：傳統封裝（左）與銅柱倒裝封裝（右）對比
（圖源：ADI）
如今，Silent Switcher已經發展到了第二代，例如LT8650S即采用第二代Silent Switcher技術，與第一代Silent Switcher相比，將兩個外部匹配電容集成到芯片內部，即減少了外部元件，又同時可縮小回路面積，降低EMI，改善了對PCB的適應性，硬件工程師在采用LT8650S設計電路時自由度更高。
圖6：Silent Switcher 1需要外部回路電容（左）
Silent Switcher 2將回路電容集成到芯片內部，設計更簡單（右）（圖源：ADI）
從實測結果來看，采用一代Silent Switcher技術的LT8614與傳統LDO LT8610在同等條件下的波形對比，LT8614比LT8610改善約20dB，而集成二代Silent Switcher技術的LT8650，EMI性能還要好。
圖7：一代Silent Switcher提升EMI特性測試結果
（圖源：ADI）
更低噪聲、更高精度
除了EMI，在醫療電子、精密儀器設備、高精度電源與通信基礎設施等應用中，對于電源芯片本身噪聲和電源紋波抑制比（PSRR）要求也非常高，因為在這些應用中，通常有易敏感電路模塊，例如ADC、DAC電路、精密放大器、高頻振蕩器、時鐘和PLL等，如果電源不干凈，這些易敏感電路的性能會大受影響，由于敏感電路對于噪聲要求高，所以通常該模塊只能由抑制噪聲更出色的LDO芯片來供電。隨著市場應用的變化，敏感精密電路技術持續發展，不斷推動精密LDO電源芯片在更低噪聲、更高精度方向更進一步。
LDO的噪聲來自兩部分，內部噪聲及外部噪聲。內部噪聲主要有熱噪聲和1/f噪聲，這兩種噪聲與LDO設計和半導體工藝相關。外部噪聲有很多來源，常見的是LDO輸入電源（通常是由開關電源芯片輸出來供電）的噪聲。由于LDO具有高增益，可以確保良好的線路和負載調整性能，因此它能夠衰減來自輸入電源的噪聲和紋波，這就是LDO的電源紋波抑制比，由于LDO帶寬有限，因此其PSRR隨著頻率提高而降低。LDO帶寬之外的噪聲無法通過LDO本身進行衰減，需要利用無源濾波器來降低。
貿澤電子在售的來自ADI的LT3042就是一款超低噪聲、超高PSRR架構，適用于敏感電路應用的LDO芯片。LT3042在10Hz至100kHz的RMS噪聲僅為0.8uV（RMS值），10kHz時點噪聲僅為2nV/Hz，在1MHz時PSRR還有79dB。下圖8為LT3042的典型應用電路和PSRR參數。
圖8：LT3042的典型應用電路（左）和PSRR參數（右）（圖源：ADI）
LT3042在0至15V的寬輸出電壓范圍內，可提供幾乎恒定的內部噪聲、PSRR、帶寬和負載調整率，這些參數與輸出電壓無關，非常適合作為高精度電流基準，并可以通過級聯來進一步降低噪聲。
更好的隔離
前面說的都是小功率應用，在大功率應用中，同樣少不了電源芯片。而大功率應用相比小功率應用有附加的要求，即隔離。隔離的功能是切斷電子系統中的大電流、高電壓模塊與小電流、低電壓模塊之間的直接回路，通過耦合的方式來傳遞控制信號，以實現對操作人員及低壓電路模塊的保護，并減少高壓大電流模塊對低壓電路部分的干擾。
光耦隔離是較傳統的隔離方法，但光耦隔離方案存在不少弊端，例如易老化、速度慢和功耗高等。但在數字隔離技術出現之前，光耦是極為合適的隔離方案。在1990年代末期，數字隔離技術開始產業化，由于其在尺寸、速度、功耗、易用性和可靠性方面具有光耦合器所無法比擬的巨大優勢，因而一推出就廣受市場好評。
其中ADI是數字隔離技術的領導廠商之一，憑借其iCoupler數字隔離芯片和uModule BGA數字隔離技術，已經出貨超過30億個隔離通道。貿澤電子在售的ADUM6421A就是一款集成了四個iCoupler開關鍵控(OOK)數字隔離通道和iCoupler芯片級isoPower變壓器技術的DC/DC開關電源芯片，利用ADI的技術，可支持在500mW隔離電源中實現小尺寸集成式、增強隔離信號和電源解決方案。
ADUM6421A共模瞬態抗擾度（CMTI）可達100kV/μs，滿足增強隔離要求，而且對EMI做了優化，在2層PCB上滿載時符合CISPR 32/EN550 32 B級發射限制。
小型化
小型化是當前電源模塊技術發展的主要方向之一，小型化可以減少占用PCB面積，減少設備重量，方便設備集成更多功能，電源芯片或模塊小型化對于硬件工程師而言意義重大。但小型化意味著高功率密度，即同樣體積提供更多功率輸出，這就要求電源芯片具備更高的轉換效率與更好的散熱性能。
研發人員通過應用四個方向的技術來滿足電源小型化需求。首先，采用更好的半導體工藝來降低芯片本身散發出來的熱量；其次，采用創新線路拓撲與結構，以降低對外部無源器件的要求，從而用小尺寸無源器件也能滿足系統要求；第三，創新的封裝技術以增強電源芯片散熱能力；最后，通過異質集成來減少寄生參數和芯片尺寸。
ADI在這幾個方向都有很突出的表現。一個典型案例是對低壓大電流FPGA芯片供電方案的改進。在2010年，對需要100A電流的FPGA，ADI需要12片LTM4601；到2012年，4片LTM4620并聯，就可以輸出100A電流；2014年推出的LTM4630則只需要3片并聯，即可輸出100A電流；2016年推出的LTM4650僅需2片，就能滿足百安電流供電。但這還不是重點，如今ADI已經推出的LTM4700實現了單片供電100A。
LTM系列進化史，在封裝技術上的演進就特別明顯，從普通塑料封裝，到加入金屬散熱襯底，再到發展出自己的元件封裝（Component on Package，簡稱CoP）。CoP這是一種立體封裝技術，該技術將大功率電源芯片外配的電感通過封裝技術放置于芯片上方，將其作為散熱器裸露于氣流中，這樣既不占用PCB面積，又提升了散熱性能，從而可以提高功率密度。
總結
電子設備日新月異，推動電源技術不斷發展，電子設備對安全節能、便攜易用與性能等的共性要求，反饋到電源芯片上，就需要芯片研發人員開發出更高效能、更低功耗、更智能化的綠色電源芯片，以實現更高功率密度、更長電池壽命、更低EMI干擾、更優電源和信號完整性以及高壓下的安全性等目標，推動著電源芯片研發人員持續創新。反過來，電源芯片技術的不斷創新，也給電子設備研發人員更多激勵和資源，給了工程師做電源設計時更多選擇，從而可以把這些新技術應用到極致。
來源：貿澤電子
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