通过降低电源电容要求来应对 MLCC 短缺问题

　　电源电路使用电容器，大量的电容器
　　典型的 DC-DC 降压转换器使用以下电容器（见图 2）：
　　输出电容器：平滑负载瞬变期间的输出电压纹波和电源负载电流。一般使用几十μF到100μF的大电容。
　　输入电容：除了稳定输入电压外，还起到瞬时供给输入电流的作用。一般使用几μF到几十μF。
　　旁路电容器：吸收开关操作产生的噪声和其他电路的噪声。一般使用0.01μF至0.1μF。

　　补偿电容：确保反馈环路的相位裕度并防止振荡。通常使用数百 pF 或数十 nF。一些开关稳压器 IC 内置了补偿电容器。

　　图 2. 典型降压稳压器中使用的电容器。
　　减少电容的方法是重点减少输出电容器。接下来探讨减少输出电容的策略，然后是减少旁路电容器需求以及在某种程度上减少输入电容器的解决方案。
　　提高开关频率以减少输出电容

　　图 3a 显示了典型的电流模式降压转换器框图，其中阴影区域表示反馈环路和补偿电路。

　　图 3. 典型降压稳压器的框图 (a) 和典型反馈特性 (b)。

　　反馈环路的特性如图 3b 所示。环路增益为 0 dB（增益 = 1）时的频率称为交叉频率 (fC)。交叉频率越高，调节器的负载阶跃响应越好。例如，图 4 显示了支持负载电流从 1 A 快速增加至 5 A 的稳压器的负载阶跃响应。结果显示交叉频率为 20 kHz 和 50 kHz，分别导致 60 mV 和 32 mV 压差。

　　图 4. 比较降压稳压器在两个交叉频率下的负载阶跃响应。
　　从表面上看，增加交叉频率看起来是一个简单的选择：通过化输出电压降来改善负载阶跃响应，因此可以减少输出电容器。然而，提高交叉频率会带来两个问题。首先，需要确保反馈环路有足够的相位裕度以防止振荡。通常，在交叉频率处需要45°或更大（优选60°或更大）的相位裕度。

　　另一个问题是开关频率 (fSW) 和 fc 之间的关系。如果它们的幅度相似，负反馈可能会对输出电压纹波做出响应，从而威胁稳定运行。作为指导，请将交叉频率设置为开关频率的五分之一（或更少），如图 5 所示。

　　图 5. 如果开关频率和控制环路交叉频率太接近，负反馈可能会对输出电压纹波做出响应。将交叉频率保持在开关频率的五分之一以下。
　　为了提高交叉频率，您还必须提高开关频率，这反过来又会导致顶部和底部 FET 的开关损耗更高，从而降低转换效率并产生额外的热量。电容上的任何节省都会被额外散热组件的复杂性所抵消：散热片、风扇或额外的电路板空间。

　　高频工作时能否保持高效率？答案是肯定的。Analog Devices 的许多 Power by Linear 稳压器 IC 都采用独特的 FET 控制来实现这一点，即使在较高的开关频率下也能保持高效率（图 6）。

　　图 6. 线性稳压器与竞争产品的对比。在典型的调节器中，当开关频率升高时，效率会下降。ADI Power by Linear 稳压器可以在非常高的工作频率下保持高效率，从而可以使用更小值的输出电容器。
　　例如，LT8640S 6 A 输出降压稳压器在整个负载范围（0.5 A 至 6 A）内保持高于 90% 的效率，同时工作频率为 2 MHz（12 V 输入和 5 V 输出）。

　　该稳压器还通过减少电感器电流纹波 (ΔIL) 来降低电容要求，从而降低输出纹波电压 (ΔVOUT)，如图 7 所示。同样，可以使用更小的电感器。

　　图 7. 提高开关频率以减小电容器和电感器尺寸。

　　通过提高开关频率，可以提高交叉频率，从而改善负载阶跃响应和负载调节，如图 8 所示。

　　图 8. 开关频率的增加可改善负载阶跃响应。
　　Silent Switcher 稳压器显着降低旁路电容
　　减少旁路电容怎么样？旁路电容的主要作用是吸收开关操作本身产生的噪声。如果通过其他方式降低开关噪声，则可以减少旁路电容器的数量。实现这一目标的一个特别简单的方法是使用 Silent Switcher? 调节器。

　　Silent Switcher 稳压器如何降低开关噪声？开关稳压器有两个电流环路：当顶部 FET 导通且底部 FET 关闭时（红色环路）以及当顶部 FET 关闭且底部 FET 导通时（蓝色环路），如图 9 所示。承载完全切换的交流电流，即从零切换到 IPEAK，然后再切换回零。它具有的交流和 EMI 能量，因为它产生强的变化磁场。

　　图 9. 开关稳压器中的热环路由于产生交变磁场而产生大量辐射噪声。
　　转换速率控制可用于通过减慢栅极信号的变化速率（降低 di/dt）来抑制开关噪声。虽然可以有效抑制噪声，但这会增加开关损耗，产生额外的热量，特别是在如上所述的高开关频率下。转换速率控制在某些条件下有效，ADI 也提供具有此功能的解决方案。

　　Silent Switcher 稳压器可抑制热环路产生的电磁噪声，无需转换速率控制。相反，它将 VIN 引脚一分为二，从而将热环路分成两个对称的热环路。由此产生的磁场仅限于 IC 附近的区域，并在其他地方显着减小，从而限度地减少辐射开关噪声（图 10）。

　　图 10. 获得的 Silent Switcher 技术。

　　LT8640S 是该技术的第二代 — Silent Switcher 2（图 11） — 在 IC 中集成了输入电容器。这确保了的噪声抑制，无需在布局中仔细定位输入电容。当然，这一特性也降低了 MLCC 的要求。另一个功能是扩频频率调制，通过动态改变开关频率来降低??噪声峰值。这些功能的组合使 LT8640S 能够轻松满足汽车的 CISPR 25 Class 5 EMC 标准（图 12）。

　　图 11. ADI 的 Silent Switcher 2 技术在 IC 内引入了输入电容，从而简化了布局并改善了噪声抑制。

　　图 12. Silent Switcher 2 器件（例如 LT8640S）中的噪声抑制功能组合可轻松突破 CISPR 25 5 类峰值限制，甚至同时减少输入和旁路电容。