使用 ADI Silent Switcher μModule® 稳压器降低噪音应用的噪音

作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美编辑

2025-01-08

在敏感的电子应用中不存在“沉默”这样的事情——实际上，这种情况永远不会发生。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。缓解此问题的不同设计方法通常涉及可能会产生更大复杂性的权衡。

工程师们不遗余力地尝试降低射频电源（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噪声敏感应用中的 EMI。这通常意味着增加额外的组件、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) 和电子转换器是 EMI 的主要原因，使汽车系统、消费电子产品、工业自动化和电信领域的许多应用的设计变得复杂。

快速开关可最大限度地减少 DC-DC 转换器、AC-DC 整流器、DC-AC 逆变器和 AC/AC 转换器的能量损耗。然而，它会产生产生高频能量和瞬态的成本，从而导致 EMI 传导和辐射。

EMI 会降低系统性能、干扰射频、导致组件故障，并妨碍起搏器和汽车安全系统等关键设备的运行。此类系统中 EMI 的主要原因是共模电流以相同方向流过两个或多个导体，从而感应出磁场。

美国的许多（如果不是大多数）电子应用必须遵守联邦通信委员会第 15 部分的规定，旨在防止有害干扰，包括来自非 RF 设备的有害干扰。国际工业和通信应用必须符合 CISPR 22 B 类国际标准，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。

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会导致代价高昂的产品延迟。更糟糕的是，如果在现场发现 EMI 问题，可能会更难以查明并需要昂贵的补救措施。

可以使用多种类型的组件来对抗 EMI。低压差 (LDO) 线性稳压器是一种传统的低成本方法，可保护下游负载免受电压瞬变和电源噪声的影响。然而，它们可能会导致解决方案体积庞大，并且通常缺乏必要的保护功能。

具有高电源抑制比 (PSRR) 的更先进 LDO 可改善噪声抑制，但不会直接提高效率或热性能。与开关稳压器结合使用，它们可以将高效率与低噪声结合起来。

设计人员还可以将精力集中在 PCB 布局上，以最大限度地减少传播 EMI 的环路区域，并分离噪声电路和敏感电路。另一种常用的补充方法是使用金属和金属合金等 EMI 屏蔽材料来隔离或封装组件。还可以使用低噪声放大器。

这些 EMI 降低技术通常同时使用，增加了设计的复杂性，让开发人员寻求简化方法。

简化 EMI 设计问题

依赖 SMPS 设计的应用的增长速度超过了熟练满足严格 EMI 要求的设计人员的数量。许多数字设计人员被要求填补因模拟电源设计人员短缺而造成的技能空白。这一趋势，加上 SMPS 设计日益复杂，表明需要进一步集成 SMPS 组件以简化流程。

[Analog Devices, Inc. (ADI)于 2015 年推出 Silent Switcher ] ^®^ 技术，致力于简化 EMI 设计挑战。其目标是优化开关技术，同时简化印刷电路板 (PCB) 设计。[LT8640]等第一代 Silent Switcher 器件通过使用铜柱倒装芯片封装而不是键合线将芯片连接到基板，从而降低了寄生电阻。他们还采用了旨在提高高频效率的动力系统。

这些第一代器件还将单个高电流“热环路”分成具有相反电流的双环路，从而抵消了传播的 EMI。单个大响环具有高寄生元件和强磁场，会以辐射的形式产生 EMI。 Silent Switcher 器件还集成了内部开关驱动器，以最大限度地减少开关功率损耗。

2017 年，ADI 推出了一款基于 Silent Switcher 2 架构的低 EMI 单片同步降压转换器。在这一代中， [LT8640S-2](等器件通过在新的 LQFN 封装内集成电容器、热环路和接地层，减少了对外部组件的依赖。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的裸露焊盘，从而提高了热性能和效率。

2021 年，ADI 推出了更新版 Silent Switcher 3 架构，采用[LT8627SP] 同步降压稳压器，具有超低低频噪声性能、超快瞬态响应以及高开关频率下的高效率，同时保持超低 EMI。它还提供了一个裸露的芯片顶部，可以选择连接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® 高度集成封装组件 (COP) 电源解决方案中。这种封装可提供更好的热性能，并进一步节省总解决方案尺寸，从而实现小型、高效且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并减少设计、测试和鉴定 DC/DC 稳压器所需的工作量。 ADI 将控制器、功率 MOSFET、电感器和其他支持组件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、低噪声仪器仪表以及高速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 μModule 稳压器，采用超紧凑 6.25 mm × 6.25 mm × 5.07 mm BGA 封装，并集成了基于静音开关的稳压器 IC，可实现低 EMI 和高效率[。] 它的工作输入电压范围为 3V 至 16V，并支持 0.3V 至 5.7V 的输出电压。

图 1：ADI 的 LTM4702 μModule 在增强型紧凑封装中集成了控制器、功率 MOSFET、电感器和降压转换器的其他支持组件。它减少了噪声敏感应用中对后置 LDO 的需求。 （图片来源：Analog Devices, Inc.）

多个 LTM4702 可以并联运行以产生更高的输出电流。通过将每个 LTM4702 的 PHMODE 引脚编程为不同的电压电平，最多可以并行运行 12 个相位，以同时异相运行。

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）。它非常适合高电流和噪声敏感应用。该器件采用恒定频率 PWM 架构，可通过使用从 RT 引脚连接到接地的电阻器进行编程，以从 300 kHz 切换到 3 MHz。

单个电阻器可设置 LTM4702 的输出电压，以提供输出电压反馈的单位增益以及与输出电压无关的几乎恒定的输出噪声。对于大多数噪声敏感应用，LTM4702 无需后调节 LDO 和 LC 滤波器，仅需要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用于评估 LTM4702 性能的降压 DC/DC 开关转换器。 （图片来源：Analog Devices, Inc.）

LTM8080 （图 3）是一款 40 V IN、双路 500 mA 或单路 1 A 器件，集成了双路超高 PSRR LDO 稳压器和静音切换器 DC/DC 稳压器，并由集成 EMI 屏蔽层隔开，封装在耐热增强型 9 mm 封装中[。] × 6.25 mm × 3.32 mm，包覆成型 BGA 封装。它支持 200 kHz 至 2.2 MHz 的开关频率范围以及 0 V 至 8 V 的输出电压范围。~~

图 3：ADI 的 LTM8080 μModule 在紧凑封装中集成了双 LDO 和静音开关 DC/DC 稳压器，两者之间具有 EMI 屏蔽层。 （图片来源：Analog Devices, Inc.）

前端开关稳压器是非隔离降压开关 DC/DC 电源，可提供高达 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（其具有 4V 至 40V 的宽工作范围）来评估 LTM8080。

图 4：DC3071A 演示电路包括一个具有两个输出的 LTM8080 µModule，每个输出均为可调 3.3​​ V/0.5 A。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

结论

ADI 的 Silent Switcher μModule 稳压器为应对噪声敏感电子应用中的 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且高效的系统级封装设计中，这些 μModule 稳压器简化了设计，提高了热性能，并且在大多数情况下无需使用 LDO 后置稳压器。

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，而不会增加传统 EMI 降低方法的复杂性。凭借 LTM4702 和 LTM8080 等产品，Analog Devices 继续在提供满足现代电子产品严格要求的创新解决方案方面处于领先地位，即使在对噪声要求最严格的应用中也能确保可靠的性能

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审核编辑 黄宇