通过降低电源中的电容要求，克服MLCC短缺问题

全球多层陶瓷电容器（MLCC）的供应跟不上需求。这在很大程度上是由于手机的电子复杂性增加，电动汽车销量增加以及电子内容在各行各业的全球扩张。一些智能手机在几年内将MLCC的使用量翻了一番;电动汽车的使用率是典型的现代内燃机的四倍（图 1）。2016年底出现的MLCC供应短缺使得获得最新电子产品中使用的多产电源所需的大容量产品（几十μF或更多）变得特别困难。希望降低MLCC要求的制造商不可避免地会关注电源的电容器要求，尤其是开关稳压器。这使电源设计人员处于缓解电容短缺的第一线。

（一）。

（二）。

图1.全球MLCC在电动汽车（a）和手机（b）中的使用量增加，而产量却没有相应增加，导致短缺。1

电源电路使用电容器，很多电容器

典型的DC-DC降压转换器使用以下电容（见图2）：

输出电容：在负载瞬变期间平滑输出电压纹波和电源负载电流。通常，使用尺寸为几十μF至100μF的大电容器。

输入电容：除了稳定输入电压外，它还起到瞬时提供输入电流的作用。通常，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。通常使用 0.01 μF 至 0.1 μF。

补偿电容器：它确保反馈环路中的相位裕量并防止振荡。通常使用几百pF或几十nF。一些开关稳压器IC集成了补偿电容。

图2.典型降压稳压器中使用的电容器。

减小电容的最佳方法是专注于最小化输出电容。接下来探讨降低输出电容的策略，然后是降低旁路电容要求的解决方案，并在一定程度上降低输入电容的要求。

提高开关频率以降低输出电容

图3a显示了一个典型的电流模式降压转换器框图，阴影区域表示反馈环路和补偿电路。

（一）。

（二）。

图3.典型降压稳压器（a）和典型反馈特性（b）的框图。

反馈环路的特性如图3b所示。环路增益为0 dB（增益= 1）时的频率称为交越频率（fC).交越频率越高，稳压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快速增加到5 A的稳压器的负载阶跃响应。结果显示，交越频率为20 kHz和50 kHz，分别产生60 mV和32 mV压差。

 

图4.比较降压稳压器在两个交越频率下的负载阶跃响应。

从表面上看，增加交越频率似乎是一个简单的选择：通过最小化输出电压降来改善负载阶跃响应，从而可以减少输出电容。然而，提高分频频率带来了两个问题。首先，必须确保反馈环路有足够的相位裕量以防止振荡。通常，在交越频率处需要45°或更大（最好是60°或更大）的相位裕量。

另一个问题是开关频率（f西 南部） 和 fc.如果它们的大小相似，负反馈会响应输出电压纹波，从而威胁到稳定运行。作为指导原则，将交越频率设置为开关频率的五分之一（或更低），如图5所示。

图5.如果开关频率和控制环路交越频率太近，负反馈可能会响应输出电压纹波。交越频率最好保持在开关频率的五分之一以下。

为了提高交越频率，还必须提高开关频率，这反过来又会导致顶部和底部FET的开关损耗增加，从而降低转换效率并产生额外的热量。电容的任何节省都会被额外的散热组件的复杂性所抵消：翅片、风扇或额外的电路板空间。

是否可以在高频操作下保持高效率？答案是肯定的。许多线性功率™ADI公司的稳压器IC通过集成独特的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.线性稳压器的功率与竞争对手的比较。在典型的稳压器中，当开关频率上升时，效率会下降。ADI线性稳压器电源可在非常高的工作频率下保持高效率，从而支持使用较小值的输出电容。

例如，LT8640S 6 A输出降压稳压器在2 MHz频率（12 V输入和5 V输出）下工作时，在整个负载范围（0.5 A至6 A）内保持90%以上的效率。

该稳压器还通过降低电感电流纹波 （ΔIL），进而降低输出纹波电压 （ΔV外），如图 7 所示。同样，也可以使用更小的电感。

图7.提高开关频率以减小电容器和电感器的尺寸。

开关频率越高，交越频率可以提高，从而改善负载阶跃响应和负载调整率，如图8所示。

图8.开关频率的提高可改善负载阶跃响应。

静音开关稳压器显著降低旁路电容

如何降低旁路电容？旁路电容器的主要作用是吸收开关操作本身产生的噪声。如果以其他方式降低开关噪声，则可以减少旁路电容器的数量。实现此目的的一种特别简单的方法是使用静音开关稳压器。®

静音开关稳压器如何降低开关噪声？开关稳压器有两个电流环路：顶部FET导通而底部FET关断时（红色环路）和顶部FET关断而底部FET导通时（蓝色环路），如图9所示。热回路承载完全开关的交流电流，即从零切换到 I峰并回到零。它具有最高的交流和EMI能量，因为它产生最强的变化磁场。

图9.开关稳压器中的热回路产生大部分辐射噪声，因为它会产生交变磁场。

压摆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，特别是在前面描述的高开关频率下。压摆率控制在某些条件下非常有效，ADI公司还提供具有此功能的解决方案。

静音开关稳压器可抑制热回路产生的电磁噪声，无需压摆率控制。相反，它分裂了 V在引脚为两端，允许将热回路分成两个对称的热回路。产生的磁场被限制在IC附近的区域，并在其他地方显著降低，从而最大限度地减少辐射开关噪声（图10）。

图 10.获得专利的静音切换器技术。

LT8640S是该技术的第二代产品——静音开关2（图11）——在IC中集成了输入电容器。这确保了最大的噪声抑制，无需在布局中仔细放置输入电容。当然，此功能也降低了MLCC的要求。另一个特性是扩频频率调制，通过动态改变开关频率来降低噪声峰值。这些功能的结合使 LT8640S 能够轻松清除汽车的 CISPR 25 5 类 EMC 标准（图 12）。

图 11.ADI公司的静音开关2技术将输入电容引入IC内，从而简化布局并改善噪声抑制。

图 12.静音开关稳压器 2 器件（如 LT8640S）中的噪声抑制功能组合，即使在降低输入和旁路电容的同时，也可以轻松清除 CISPR 25 5 类峰值限值。

结论

ADI线性器件的电源有助于降低MLCC要求，帮助设计人员克服MLCC短缺的问题。通过使用高频操作来降低输出电容要求，同时保持异常高效率。采用静音开关稳压器架构的器件可显著抑制 EMI 噪声，从而降低旁路电容器要求。静音切换器 2 器件进一步降低了 MLCC 需求。

审核编辑：郭婷