【導讀】作(zuo)為(wei)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)中(zhong)必(bi)不(bu)可(ke)少(shao)的(de)部(bu)分(fen)，電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)極(ji)最(zui)常(chang)見(jian)，同(tong)時(shi)也(ye)是(shi)極(ji)考(kao)驗(yan)硬(ying)件(jian)工(gong)程(cheng)師(shi)功(gong)力(li)的(de)部(bu)分(fen)之(zhi)一(yi)。電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)是(shi)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)中(zhong)對(dui)電(dian)能(neng)實(shi)現(xian)轉(zhuan)換(huan)、分配、控製和監測等功能的子係統，整個電子係統的功耗、性能
、成本和體積都與電源模塊設計直接相關。現代大型電子係統正在向高集成、高速、高增益、高可靠性方向發展，電源上的微小幹擾都會對電子設備性能產生影響，這就需要設計出低噪聲
、抗紋波能力強的電源模塊；而在便攜式設備中，電池供電情況越來越多
，這就對續航時間提出了高要求，這通常對應著其電源模塊高效、高可靠和低靜態電流的極致要求。

zongzhi，dianyuanmokuaishejishidianzixitongxingnengfahuidejichu
，zhiyouzuohaoxitongdedianyuanmokuaishejizhihou，caiyoujihuiquzhuiqiuxingnenghewenjiandishixianxitongdesuoyougongneng。erdianyuanmokuaishejijiweizhongyaodejiushiruhexuanheshidexinpianhejishufangan。tongchang
，genjudianyuanmokuaizhonggegezhiludeqingkuang，quedingshuruheshuchudianyacha，ranhougenjuyingyongxuqiu，zaixiaolvzhibiao、散熱限製、噪聲要求、係統複雜性和成本等多個條件約束下
，就能選出最合適的電源芯片，然後根據選定的電源芯片來實現相應的電源轉換與分配的功能。

根據應用場景
，電源模塊可以分為交流到直流（AC-DC）轉換電源模塊和直流到直流（DC-DC）轉換電源模塊
，其中AC-DC電源模塊通常用於直接用市電的設備
，而DC-DC電源模塊則隻能接入直流電源，然後在直流電源輸入的基礎上去分壓或升壓，為係統各模塊供應所需的電壓和電流。

而根據工作原理上

，電源芯片可分為線性電源芯片和開關電源芯片。線性電源也被稱為低壓差線性穩壓器（Low Drop Out Regulator，簡稱LDO）芯片
，其原理是通過晶體管壓降來調節輸出電壓，隻能實現降壓輸出，無法實現升壓輸出，與開關電源芯片相比，LDO通常具有體積小

、噪聲低
、使用方便等特點。

開關電源芯片采用脈寬調製（PWM）方式工作
，可實現升降壓輸出，而且效率高、功耗低，但由於采用PWM方式工作
，所以會產生電磁幹擾（EMI），因而通常噪聲也比相對應的LDO要大。

按實現方法，開關電源可分為兩類，即電感式DC-DC電源芯片與基於開關電容的DC-DC變換器（即電荷泵式DC-DC芯片）。電荷泵式DC-DC芯片采用電容作為開關和儲能元件
，與電感式DC-DC電源芯片相比，具有效率高、體積小、靜態電流低、輸出電壓調節範圍寬、Vmin低、噪聲低和EMI低等優點，而且電容比電感更易於集成，因而電荷泵式電源芯片可以實現更高集成度。在小功率應用中，電荷泵式DC-DC開關電源芯片具有很大優勢
，但電荷泵式電源芯片不適合高電壓、大功率場景，因而在高功率應用中，電感式DC-DC電源芯片還居於主導地位。

在有高性能處理器
、大型FPGA等大芯片的複雜係統中，由於電流消耗可達數安培到幾十安培
，通常需要組合使用開關電源和LDO。複雜係統中易受幹擾的模擬電路，通常由LDO芯片來供電；且數字部分因為電流大因而對效率要求高，而數字電路本身抗幹擾性更強，因此更適合用開關電源來供電。開關電源、LDO和各種保護器件與被動元件的組合，構建起了複雜係統的電源分布式體係。

總之
，LDO和開關電源是所有電子設備中電源模塊的核心

，電子係統發展也對電源芯片提出了更高要求，研發人員不斷嚐試更新的製造工藝、封裝技術與電路拓撲，以達到更極致的性能或體積、成本等其他指標。下麵我們就從電源芯片的發展趨勢來看一看該如何選擇合適的電源芯片。

更小靜態電流——實現更低損耗

手機（含智能手機和功能機）每年出貨量近20億yi部bu，筆bi記ji本ben電dian腦nao每mei年nian出chu貨huo量liang過guo億yi台tai，而er隨sui著zhe物wu聯lian網wang技ji術shu發fa展zhan，越yue來lai越yue多duo的de電dian池chi供gong電dian設she備bei接jie入ru網wang絡luo
，這zhe些xie設she備bei典dian型xing工gong作zuo狀zhuang態tai為wei短duan暫zan激ji活huo
，相xiang對dui較jiao長chang時shi間jian休xiu眠mian
，通tong常chang需xu要yao在zai不bu更geng換huan電dian池chi的de情qing況kuang下xia，工gong作zuo一yi整zheng年nian，甚shen至zhi三san到dao五wu年nian。此ci類lei應ying用yong對dui電dian源yuan芯xin片pian提ti出chu極ji高gao要yao求qiu


，既ji要yao有you極ji低di的de靜jing態tai電dian流liu，以yi保bao持chi輕qing載zai或huo無wu負fu載zai時shi的de電dian源yuan效xiao率lv

，滿man足zu設she備bei對dui電dian池chi供gong電dian長chang續xu航hang時shi間jian的de要yao求qiu
，又you得de滿man足zu重zhong負fu載zai情qing況kuang下xia係xi統tong對dui供gong電dian能neng力li的de要yao求qiu
，要yao做zuo好hao並bing不bu容rong易yi。

貿澤電子在售的來自製造商Analog Devices（ADI）的LT3009，就是一款可以同時滿足微安（uA）級靜態工作電流與20毫安（mA）大驅動能力的LDO芯片。具體來看
，LT3009無負載靜態電流為3uA，可以在280mV壓差（輸入/輸出）情況下提供20mA輸出電流，輸入電壓範圍為1.6V至20V，輸出電壓範圍為0.6V至19.5V。此外
，LT3009僅需要1uF的電容就可以保證輸出電源的穩定性和瞬時響應，內部集成了限流、限溫、電池接反保護和反向電流保護等防護功能，可有效保證便攜設備的用電安全。

圖1：LT3009壓降與靜態電流關係

（圖源：ADI）

總體來看
，LT3009非常適合既需要超低待機功耗

，又能支持中等強度驅動能力的應用場景，除了常見的手持設備，還可用於氣表、水表和門禁等應用。LT3009在節能方麵尤其出色

，負載增加時，接地腳的電流永遠不超過輸出電流的5%，而在關機時，靜態電流低於1uA。

圖2：LT3009典型應用電路

（圖源：ADI）

更低EMI

降低EMI（電磁幹擾）主要針對開關電源芯片（Switch Regulator）。開關電源芯片由於工作在脈寬調製狀態，開關頻率多為幾百KHz到數MHz，shenzhigenggao，yinerkaiguandianyuanbenshenshiganraoyuan。ruguokaiguandianyuandianluzaishixianshicanshushezhibulixiang，jianghuijiazhongqifachudedianciganrao，youshihoushebeidiancijianrongxingceshitongbuguo，kenengjiuyinweikaiguandianyuanbufenmeichulihao。

在設備電路板上降低EMI的方法主要有加屏蔽或加濾波（電路可改造）

，降低開關波形上升斜率，如果芯片具備展頻功能則還可以打開展頻功能
，以及修改PCB走線。總體上板級優化EMI的(de)方(fang)法(fa)都(dou)有(you)代(dai)價(jia)
，例(li)如(ru)增(zeng)加(jia)成(cheng)本(ben)或(huo)者(zhe)影(ying)響(xiang)電(dian)源(yuan)性(xing)能(neng)。最(zui)好(hao)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)法(fa)

，是(shi)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)芯(xin)片(pian)本(ben)身(shen)充(chong)分(fen)考(kao)慮(lv)了(le)板(ban)級(ji)實(shi)現(xian)時(shi)的(de)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)問(wen)題(ti)
，在(zai)芯(xin)片(pian)級(ji)將(jiang)EMI問題解決掉，成本低
，係統性能也不會受到影響。

ADI的Silent Switcher技術，即在芯片級大幅改善了開關電源的EMI表現，從而可以在不影響電源性能的前提下有效地降低EMI，而且不增加外部元器件，是一種簡單高效的低成本解決方法。

圖3：傳統電流回路拓撲（左）與Silent Switcher拓撲（右）（圖源：ADI）

在原理上，ADI的Silent Switcher技(ji)術(shu)將(jiang)形(xing)成(cheng)兩(liang)個(ge)對(dui)稱(cheng)分(fen)布(bu)的(de)電(dian)流(liu)回(hui)路(lu)，這(zhe)兩(liang)個(ge)回(hui)路(lu)產(chan)生(sheng)的(de)磁(ci)場(chang)方(fang)向(xiang)相(xiang)反(fan)，因(yin)而(er)能(neng)量(liang)相(xiang)互(hu)抵(di)消(xiao)，從(cong)而(er)模(mo)塊(kuai)電(dian)氣(qi)回(hui)路(lu)對(dui)外(wai)沒(mei)有(you)淨(jing)磁(ci)場(chang)。所(suo)以(yi)
，Silent Switcher技術無須降低晶體管開關速度
，解決了EMI和效率之間的互斥問題。

圖4：Silent Switcher電磁場示意圖

（圖源：ADI）

此外，Silent Switcher技術采用銅柱倒裝封裝工藝，可以大幅降低芯片管腳寄生阻抗
，因此不僅可以減小EMI，還可以提升開關電源的效率。

圖5：傳統封裝（左）與銅柱倒裝封裝（右）對比

（圖源：ADI）

如今，Silent Switcher已經發展到了第二代，例如LT8650S即采用第二代Silent Switcher技術

，與第一代Silent Switcher相比，將兩個外部匹配電容集成到芯片內部，即減少了外部元件
，又同時可縮小回路麵積，降低EMI

，改善了對PCB的適應性，硬件工程師在采用LT8650S設計電路時自由度更高。

圖6：Silent Switcher 1需要外部回路電容（左）

Silent Switcher 2將回路電容集成到芯片內部，設計更簡單（右）（圖源：ADI）

從實測結果來看

，采用一代Silent Switcher技術的LT8614與傳統LDO LT8610在同等條件下的波形對比，LT8614比LT8610改善約20dB，而集成二代Silent Switcher技術的LT8650，EMI性能還要好。

圖7：一代Silent Switcher提升EMI特性測試結果

（圖源：ADI）

更低噪聲、更高精度

除了EMI
，在醫療電子、精密儀器設備、高精度電源與通信基礎設施等應用中，對於電源芯片本身噪聲和電源紋波抑製比（PSRR）要求也非常高，因為在這些應用中，通常有易敏感電路模塊，例如ADC、DAC電路、精密放大器
、高頻振蕩器
、時鍾和PLL等
，如果電源不幹淨，這些易敏感電路的性能會大受影響，由於敏感電路對於噪聲要求高，所以通常該模塊隻能由抑製噪聲更出色的LDO芯片來供電。隨著市場應用的變化，敏感精密電路技術持續發展，不斷推動精密LDO電源芯片在更低噪聲、更高精度方向更進一步。

LDO的噪聲來自兩部分，內部噪聲及外部噪聲。內部噪聲主要有熱噪聲和1/f噪聲
，這兩種噪聲與LDO設計和半導體工藝相關。外部噪聲有很多來源
，常見的是LDO輸入電源（通常是由開關電源芯片輸出來供電）的噪聲。由於LDO具有高增益，可以確保良好的線路和負載調整性能，因此它能夠衰減來自輸入電源的噪聲和紋波，這就是LDO的電源紋波抑製比
，由於LDO帶寬有限
，因此其PSRR隨著頻率提高而降低。LDO帶寬之外的噪聲無法通過LDO本身進行衰減，需要利用無源濾波器來降低。

貿澤電子在售的來自ADI的LT3042就是一款超低噪聲、超高PSRR架構，適用於敏感電路應用的LDO芯片。LT3042在10Hz至100kHz的RMS噪聲僅為0.8uV（RMS值），10kHz時點噪聲僅為2nV/Hz，在1MHz時PSRR還有79dB。下圖8為LT3042的典型應用電路和PSRR參數。

圖8：LT3042的典型應用電路（左）和PSRR參數（右）（圖源：ADI）

LT3042在0至15V的寬輸出電壓範圍內
，可提供幾乎恒定的內部噪聲

、PSRR
、帶寬和負載調整率，這些參數與輸出電壓無關，非常適合作為高精度電流基準
，並可以通過級聯來進一步降低噪聲。

更好的隔離

前(qian)麵(mian)說(shuo)的(de)都(dou)是(shi)小(xiao)功(gong)率(lv)應(ying)用(yong)，在(zai)大(da)功(gong)率(lv)應(ying)用(yong)中(zhong)

，同(tong)樣(yang)少(shao)不(bu)了(le)電(dian)源(yuan)芯(xin)片(pian)。而(er)大(da)功(gong)率(lv)應(ying)用(yong)相(xiang)比(bi)小(xiao)功(gong)率(lv)應(ying)用(yong)有(you)附(fu)加(jia)的(de)要(yao)求(qiu)，即(ji)隔(ge)離(li)。隔(ge)離(li)的(de)功(gong)能(neng)是(shi)切(qie)斷(duan)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)大(da)電(dian)流(liu)
、高電壓模塊與小電流、低di電dian壓ya模mo塊kuai之zhi間jian的de直zhi接jie回hui路lu

，通tong過guo耦ou合he的de方fang式shi來lai傳chuan遞di控kong製zhi信xin號hao，以yi實shi現xian對dui操cao作zuo人ren員yuan及ji低di壓ya電dian路lu模mo塊kuai的de保bao護hu，並bing減jian少shao高gao壓ya大da電dian流liu模mo塊kuai對dui低di壓ya電dian路lu部bu分fen的de幹gan擾rao。

光耦隔離是較傳統的隔離方法，但光耦隔離方案存在不少弊端，例如易老化、速度慢和功耗高等。但在數字隔離技術出現之前

，光耦是極為合適的隔離方案。在1990年代末期
，數字隔離技術開始產業化，由於其在尺寸、速度、功耗
、易用性和可靠性方麵具有光耦合器所無法比擬的巨大優勢

，因而一推出就廣受市場好評。

其中ADI是數字隔離技術的領導廠商之一，憑借其iCoupler數字隔離芯片和uModule BGA數字隔離技術，已經出貨超過30億個隔離通道。貿澤電子在售的ADUM6421A就是一款集成了四個iCoupler開關鍵控(OOK)數字隔離通道和iCoupler芯片級isoPower變壓器技術的DC/DC開關電源芯片，利用ADI的技術，可支持在500mW隔離電源中實現小尺寸集成式
、增強隔離信號和電源解決方案。

ADUM6421A共模瞬態抗擾度（CMTI）可達100kV/µs

，滿足增強隔離要求，而且對EMI做了優化，在2層PCB上滿載時符合CISPR 32/EN550 32 B級發射限製。

小型化

小型化是當前電源模塊技術發展的主要方向之一，小型化可以減少占用PCB麵mian積ji
，減jian少shao設she備bei重zhong量liang
，方fang便bian設she備bei集ji成cheng更geng多duo功gong能neng，電dian源yuan芯xin片pian或huo模mo塊kuai小xiao型xing化hua對dui於yu硬ying件jian工gong程cheng師shi而er言yan意yi義yi重zhong大da。但dan小xiao型xing化hua意yi味wei著zhe高gao功gong率lv密mi度du，即ji同tong樣yang體ti積ji提ti供gong更geng多duo功gong率lv輸shu出chu

，這zhe就jiu要yao求qiu電dian源yuan芯xin片pian具ju備bei更geng高gao的de轉zhuan換huan效xiao率lv與yu更geng好hao的de散san熱re性xing能neng。

研發人員通過應用四個方向的技術來滿足電源小型化需求。首先，采用更好的半導體工藝來降低芯片本身散發出來的熱量；其次
，采用創新線路拓撲與結構，以降低對外部無源器件的要求，從而用小尺寸無源器件也能滿足係統要求

；第三
，創新的封裝技術以增強電源芯片散熱能力；最後
，通過異質集成來減少寄生參數和芯片尺寸。

ADI在這幾個方向都有很突出的表現。一個典型案例是對低壓大電流FPGA芯片供電方案的改進。在2010年，對需要100A電流的FPGA，ADI需要12片LTM4601；到2012年，4片LTM4620並聯
，就可以輸出100A電流；2014年推出的LTM4630則隻需要3片並聯，即可輸出100A電流；2016年推出的LTM4650僅需2片，就能滿足百安電流供電。但這還不是重點，如今ADI已經推出的LTM4700實現了單片供電100A。

LTM係列進化史

，在封裝技術上的演進就特別明顯

，從普通塑料封裝，到加入金屬散熱襯底，再到發展出自己的元件封裝（Component on Package

，簡稱CoP）。CoP這(zhe)是(shi)一(yi)種(zhong)立(li)體(ti)封(feng)裝(zhuang)技(ji)術(shu)
，該(gai)技(ji)術(shu)將(jiang)大(da)功(gong)率(lv)電(dian)源(yuan)芯(xin)片(pian)外(wai)配(pei)的(de)電(dian)感(gan)通(tong)過(guo)封(feng)裝(zhuang)技(ji)術(shu)放(fang)置(zhi)於(yu)芯(xin)片(pian)上(shang)方(fang)，將(jiang)其(qi)作(zuo)為(wei)散(san)熱(re)器(qi)裸(luo)露(lu)於(yu)氣(qi)流(liu)中(zhong)，這(zhe)樣(yang)既(ji)不(bu)占(zhan)用(yong)PCB麵積
，又提升了散熱性能
，從而可以提高功率密度。

總結

電子設備日新月異，推動電源技術不斷發展，電子設備對安全節能、便攜易用與性能等的共性要求，反饋到電源芯片上，就需要芯片研發人員開發出更高效能、更低功耗、更智能化的綠色電源芯片，以實現更高功率密度
、更長電池壽命、更低EMI幹擾

、更(geng)優(you)電(dian)源(yuan)和(he)信(xin)號(hao)完(wan)整(zheng)性(xing)以(yi)及(ji)高(gao)壓(ya)下(xia)的(de)安(an)全(quan)性(xing)等(deng)目(mu)標(biao)，推(tui)動(dong)著(zhe)電(dian)源(yuan)芯(xin)片(pian)研(yan)發(fa)人(ren)員(yuan)持(chi)續(xu)創(chuang)新(xin)。反(fan)過(guo)來(lai)
，電(dian)源(yuan)芯(xin)片(pian)技(ji)術(shu)的(de)不(bu)斷(duan)創(chuang)新(xin)，也(ye)給(gei)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)研(yan)發(fa)人(ren)員(yuan)更(geng)多(duo)激(ji)勵(li)和(he)資(zi)源(yuan)，給(gei)了(le)工(gong)程(cheng)師(shi)做(zuo)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)時(shi)更(geng)多(duo)選(xuan)擇(ze)

，從(cong)而(er)可(ke)以(yi)把(ba)這(zhe)些(xie)新(xin)技(ji)術(shu)應(ying)用(yong)到(dao)極(ji)致(zhi)。

來源：貿澤電子

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