本文介紹最新的開關穩壓器解決方案。

開關穩壓器紋波電壓公式

在數字電路處理高速信號時,抖動的要求規格也變得嚴格,因此,需要減小影響抖動特性的脈動電壓。這次,為了將影響抖動特性的開關穩壓器的脈動控制在最小,我們來看看應該怎麼做。
 

VRipple： 紋波電壓
ΔIL：電感器的紋波電流
ESR：輸出電容器的ESR
fSW：開關頻率
COUT：輸出電容器的容量

開關調節器的紋波電壓可以用上述公式來表示。

從這個公式可以看出,電感器的紋波電流(ΔIL)越大,紋波越大。
感應器紋波電流定義為負載所需電流的40%。
因此,FPGA等的數字電路所要求的電流值增加的話,脈動就會變大。

因此,在低電壓、大電流化正在加速的現狀下,由於不能減小電感器的脈動電流,所以需要在上述公式的其它項目中減小脈動電壓。

要降低開關穩壓器的紋波電壓

除了上述公式中感應器的紋波電流之外,還有三個項目。

1. 輸出電容器的ESR (ESR)
2. 輸出電容器的容量 (Cout)
3. 開關頻率 (fsw)
 

通過調整這3個項目,可以減小脈動電壓。

1. 關於輸出電容器的ESR,如式1的"紋波電流xESR"所示,與ESR成比例增大,因此通過使用ESR小的陶瓷電容器,可以減小ESR。

2. 關於輸出電容器的容量,因為在式1的分母中,所以通過增大輸出電容器的容量,脈動會變小。要增加容量,可以通過多搭載陶瓷電容器來實現。但是,由於板面積變​​大,成本增加,所以希望將搭載數控制在最小限度。

3 . 關於開關頻率,因為也是在式1的分母中,所以通過提高開關頻率,脈動會變小。但是,一般來說,提高開關頻率的話,開關損失會變大,效率會降低。因此,需要一邊確認效率是否有問題,一邊研究提高頻率。

圖1是同步整流型DC/DC轉換器LTC3616的紋波電壓和電感器電流的波形,紋波非常小,只有幾mV。
 

圖1：紋波和電感器電流

開關頻率和效率

提高開關頻率的話,開關損失變大,效率降低。
幾年前,2MHz是最高的開關頻率,最新的設備已經推出了4~5MHz產品。

圖2是同步整流型DC/DC轉換器LTC3616的開關頻率 ― 效率特性曲線。

當開關頻率為1~2MHz時,效率將達到峰值,並逐漸下降到4MHz。但是,在4MHz時也達到了約90%,所以效率沒有問題。
 

圖2：開關頻率 ― 效率特性

開關頻率可調節到4MHz的單片同步整流降壓調節器的列表如下。
通過使用這款產品,可以減小波紋,抑制數字電路的抖動成分,進行電路設計。

注意事項!即使使用好的產品波紋也很大

通過使用開關頻率為4MHz的產品,可以得到如圖1所示的波紋電壓那樣小且漂亮的電壓,但是,在開關調節器的設計方法的報導的後半部分中有記載,如果基板的PCB設計錯了,就得不到希望的波紋波形。

一旦由於電路板的圖案設計而在波紋上產生了較大的開關噪聲,由於很多情況下不能通過追加電容器等來解決,所以需要注意。請一定參考廠家推薦的圖案進行設計。
 

將佈局的影響降到最低

由基板上的配線引線產生的配線圖案的電感成分和IC的引線和銲線產生的電感成分引起的噪聲會對脈動電壓產生影響。

將該電感分量最小化的解決方案是Analog Devices公司的μModule。

支持4MHz開關頻率的產品線如下。推薦給不想花費時間進行佈局設計的人,以及希望盡可能抑制波紋來組裝系統的人。