利用 ADI Silent Switcher μModule® 稳压器降低高噪声应用的噪声

在敏感的电子应用中，没有无噪声一说——事实上，它从未发生过。 这是因为消除电源中的所有电磁干扰 (EMI) 噪声几乎是不可能的。 有多种不同的设计方法来缓解这一问题，但往往需要权衡利弊，从而增加了复杂性。

在射频电源（放大器）、高速数据转换器、敏感仪器以及医疗成像和诊断系统等对噪声敏感的应用中，工程师们都在千方百计地减少 EMI。 这通常意味着要增加元件、屏蔽和滤波器，所有这些都会增加复杂性、成本、尺寸和重量。

开关模式电源 (SMPS) 和基于电子的转换器是电磁干扰的主要原因，使得汽车系统、消费电子、工业自动化和电信领域许多应用的设计变得更加复杂。

对于 DC-DC 转换器以及 AC-DC 整流器、DC-AC 逆变器和 AC/AC 转换器而言，快速切换可最大限度地减少能量损耗。 然而，这样做的代价是产生高频能量和瞬态，从而导致电磁干扰传导和辐射。

电磁干扰会降低系统性能，干扰无线电频率，导致元件故障，并妨碍心脏起搏器和汽车安全系统等关键设备的运行。 在此类系统中，产生 EMI 的一个主要原因是在两个或多个导体上存在以相同方向流动的共模电流，它会诱发磁场。

美国的许多（如果不是大多数）电子应用都必须遵守联邦通信委员会第 15 部分的规定，以防止产生有害干扰，包括来非射频设备的干扰。 国际工业和通信应用必须符合 CISPR 22 B 级标准，汽车应用必须符合 CISPR 25 国际标准。 其他地区也有类似的合规认证要求。

EMI 测试通常在设计周期的后期进行，因此问题和纠正措施可能导致代价高昂的产品延期。 更糟糕的是，如果在现场发现电磁干扰问题，则可能更难以确定，并需要进行昂贵的修复工作。

可以用来对抗电磁干扰的元器件有多种类型。 低压差 (LDO) 线性稳压器是一种保护下游负载免受瞬态电压和电源噪声影响的传统低成本方法。 不过，这些解决方案可能会很笨重，而且往往缺乏必要的保护功能。

具有高电源抑制比 (PSRR) 的较先进 LDO 可提高噪声抑制能力，但不能直接提高效率或热性能。 它们与开关稳压器结合使用，可兼具高效率和低噪声的特点。

设计人员还可将工作重点放在 PCB 布局上，以尽量减少传播 EMI 的环路区域，并将噪声电路和敏感电路分开。 另一种常用的补充方法是用 EMI 屏蔽材料（如金属和金属合金）隔离或封闭元件。 还可以使用低噪声放大器。

这些减少电磁干扰的技术往往同时使用，增加了设计的复杂性，使得开发人员不得不寻求简化。

简化 EMI 设计问题

随着应用越来越依赖 SMPS（开关模式电源）设计，在满足严格 EMI 要求方面拥有合适技能的设计人数量已经跟不上市场需要。 模拟电源设计人员短缺而造成了技术空白，不得不需要许多数字设计人员来填补。 这一趋势加上 SMPS 设计的日益复杂性，预示着需要进一步整合 SMPS 组件以简化流程。

Analog Devices, Inc. (ADI) 于 2015 年推出了 Silent Switcher^® 技术，简化了 EMI 设计挑战。 它旨在优化开关技术，同时简化印刷电路板 (PCB) 设计。 LT8640 等第一代 Silent Switcher 器件采用铜柱倒装芯片封装，而不是键合导线将裸片连接到基底上，从而降低了寄生电阻。 他们还采用了旨在改善高频效率的动力系统。

这些第一代器件还将单个大电流“热回路”拆分为双回路，双回路中的电流相反，从而抵消了传播的 EMI。 单个大回路具有高寄生因素和强磁场，会以辐射形式产生 EMI。 Silent Switcher 器件还集成了内部开关驱动器，以尽量减少开关功率损耗。

2017 年，ADI 推出了基于 Silent Switcher 2 架构的低 EMI 单片同步降压转换器。 在这一代中，LT8640S-2 等器件通过在新型 LQFN 封装内集成电容器、热回路和接地平面，减少了对外部元件的依赖。 这使得解决方案尺寸更小，并消除了 PCB 布局敏感性，从而实现了更好的 EMI 性能。 此外，Silent Switcher 2 器件还包括更多的铜柱和大裸焊盘，从而提高了散热性能和效率。

2021 年，ADI 通过 LT8627SP 同步降压稳压器推出了更新的 Silent Switcher 3 架构，具有超低低频噪声性能、超快瞬态响应和高开关频率下的高效率，同时保持超低 EMI。 其芯片还提供外露顶部，可选择安装散热器，以适应高环境温度应用。

Silent Switcher 3 µModule 稳压器

Silent Switcher 3 技术现已应用于 ADI 的 µModule® 高集成度组件级封装 (COP) 电源解决方案。 这种封装提供了更好的散热性能，并进一步节省了解决方案的总体积，从而实现了小型、高效和可靠的电源解决方案。

µModule 稳压器的其他主要优势包括节省时间，减少设计、测试 DC/DC 稳压器并使之合适的工作量。 ADI 将控制器、功率 MOSFET、电感器和其他辅助元件都集成到一个紧凑的封装中。 它们可用作各种电信、网络和工业设备应用、射频电源、低噪声仪器以及高速和高精度数据转换器的电源解决方案。

LTM4702（图 1）是一款完整的 8 A 降压型 μModule 稳压器，采用 6.25 mm × 6.25 mm × 5.07 mm BGA 超紧凑型封装，内置基于 Silent Switcher 的稳压器 IC，可实现低 EMI 和高效率。 它工作在 3 V 至 16 V 的输入电压范围，支持 0.3 V 至 5.7 V 的输出范围。

图 1：ADI 的 LTM4702 μModule 在增强型紧凑封装中集成了控制器、功率 MOSFET、电感器和用于降压转换器的其他支持元件。在对噪声敏感的应用中，它可减轻对后置 LDO 的需求。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

多个 LTM4702 可以并联运行，以产生更大的输出电流。 通过将每个 LTM4702 的 PHMODE 引脚编程为不同的电压电平，最多可并联 12 个相位，使之同时异相运行。

此外，LTM4702 同步开关稳压器还具有出色的低频输出噪声（10 Hz 至 100 kHz），因此非常适合大电流和噪声敏感型应用。 该器件采用恒频 PWM 架构，通过将一个电阻器从 RT 引脚绑定到地，可对其进行编程，将频率从 300 kHz 切换到 3 MHz。

LTM4702 的输出电压由单个电阻器设定，可针对输出电压反馈提供统一增益，输出噪声几乎恒定，与输出电压无关。 对于大多数噪声敏感型应用而言，LTM4702 无需后级调整 LDO 和 LC 滤波器，只需输入和输出电容器即可完成设计。

EVAL-LTM4702-AZ 评估板（图 2）可用于设置和评估 LTM4702 的性能。

图 2：ADI 的 EVAL-LTM4702-AZ 评估板为设计人员提供了一个用于评估 LTM4702 性能的降压型 DC/DC 开关转换器。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

LTM8080（图 3）是一款 40 V_IN、双通道 500 mA 或单通道 1 A 器件，采用热增强型 9 mm × 6.25 mm × 3.32 mm 过模 BGA 封装。它集成了双通道超高 PSRR LDO 稳压器和 Silent Switcher DC/DC 稳压器，并通过一体化 EMI 屏蔽层将其隔开。 其开关频率范围为 200 kHz 至 2.2 MHz，输出电压范围为 0 V 至 8 V。

图 3：ADI 的 LTM8080 μModule 采用紧凑型封装，集成了双 LDO 和 Silent Switcher DC/DC 稳压器，并在两者之间设置了 EMI 屏蔽层。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

这种前端开关稳压器是一种非隔离降压型 DC/DC 开关电源，可提供最高 1.5 A 的连续电流。 后端 LDO 线性稳压器采用 ADI 的超低噪声（10 kHz 时为 2 nV/√Hz）和超高 PSRR（1 MHz 时为 76 dB）架构。 LDO 输出可并联，以增加输出电流

设计人员可以使用 DC3071A（图 4）演示电路来评估 LTM8080，该电路具有 4 V 至 40 V 的宽工作范围。

图 4：DC3071A 演示电路包括一个带有两个输出的 LTM8080 µModule，每个输出都是 3.3 V/0.5 A 可调。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

结语

ADI 的 Silent Switcher μModule 稳压器为噪声敏感型电子应用中的 EMI 挑战提供了强大的解决方案。 通过将先进的 Silent Switcher 3 技术集成到高度紧凑的高效系统级封装设计中，这些 μModule 稳压器简化了设计，提高了散热性能，消除了大多数情况下使用 LDO 后级稳压器的需要。

从高速数据转换器和射频系统到医疗成像和工业设备，这些 μModule 稳压器使工程师能够实现超低噪声和高效率，且不会像传统 EMI 降低方法那样增加复杂性。 凭借 LTM4702 和 LTM8080 等产品，Analog Devices 不断引领创新解决方案的发展，满足了现代电子产品的严格要求，确保在最苛刻的噪声应用中实现可靠的性能。