開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲輻射
有兩種類型的輻射：傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)輻射依賴于連接一個(gè)產(chǎn)品的導(dǎo)線和走線。既然噪聲局限于設(shè)計(jì)中的特定終端或連接器，那么常常可以用良好的布局或?yàn)V波器設(shè)計(jì)在開發(fā)過程中相對(duì)較早地保證符合傳導(dǎo)輻射要求。
輻射是另一回事。電路板上攜帶電流的所有東西都輻射一個(gè)電磁場(chǎng)。電路板上的所有走線都是天線，所有銅平面都是諧振器。不同于純正弦波或 DC 電壓的任何信號(hào)都產(chǎn)生遍布信號(hào)頻譜的噪聲。即使進(jìn)行了仔細(xì)設(shè)計(jì)，仍然無人在系統(tǒng)得到測(cè)試之前真正知道輻射情況有多糟，而且輻射測(cè)試直到設(shè)計(jì)基本完成才能正式進(jìn)行。
那么設(shè)計(jì)工程師能做的是什么呢？一種方法是使用經(jīng)過預(yù)先測(cè)試并已知具有低輻射的器件。使用這些“經(jīng)過檢驗(yàn)和認(rèn)證”的器件極大地提高了設(shè)計(jì)師成功的機(jī)會(huì)。
任何變化的電流或電壓都會(huì)產(chǎn)生電磁 (EM) 形式的能量。這種能量在蜂窩電話、PC、醫(yī)療掃描儀、汽車、發(fā)送器、熒光燈、電線等中以不同強(qiáng)度出現(xiàn)。這種能量有在一定頻率范圍內(nèi)定義的強(qiáng)度，強(qiáng)度隨距離而變化。噪聲這個(gè)名稱盡管不是一個(gè)科學(xué)定義的術(shù)語，但是在 EM 能量干擾、中斷或禁止其它電子器件或組件工作時(shí)，仍然用噪聲來表示這種能量。它也被稱為電磁干擾或 EMI。
濾波器用于通過衰減在某一頻率上或一個(gè)頻率范圍內(nèi)的 EMI 強(qiáng)度來降低 EMI。這種能量通過空間傳播 (輻射) 的部分靠增加金屬或磁屏蔽衰減。依賴于 PCB 走線 (傳導(dǎo)) 的部分靠增加鐵氧體珠和其它濾波器來控制。EMI 不能消除，但是可以衰減到一個(gè)其它通信和數(shù)字組件可接受的水平。此外，幾個(gè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)實(shí)施了一些標(biāo)準(zhǔn)，以確保符合 EMI 要求。
超低噪聲 DC/DC 穩(wěn)壓器系統(tǒng)級(jí)封裝
凌力爾特公司一個(gè)新的 DC/DC 微型模塊 (µModule™) 穩(wěn)壓器系列通過在 DC/DC穩(wěn)壓器電路本身這個(gè)源頭衰減傳導(dǎo)和輻射能量，讓設(shè)計(jì)師安心。一個(gè) DC/DC 微型模塊是一個(gè)完整的 DC/DC 系統(tǒng)級(jí)封裝。它包括電感器、控制器 IC、MOSFET (或開關(guān)組件)、輸入和輸出電容器以及補(bǔ)償電路，這些組件都制造在一個(gè)基片上并裝入一個(gè)密封的表面貼裝塑料封裝中，就像一個(gè) IC 一樣。
這個(gè)系列已經(jīng)過鑒定合格的 EMI 測(cè)試機(jī)構(gòu)的評(píng)估，并通過了國(guó)際規(guī)范 CISPR 22的認(rèn)證。換言之，這些產(chǎn)品經(jīng)過檢驗(yàn)和認(rèn)證，可實(shí)現(xiàn)低噪聲工作。
超低 EMI DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器
一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器的噪聲主要在接通和斷開時(shí)電流 (和電壓) 的快速通斷動(dòng)作所引起。LTM4606 和 LTM4612 作為完整的開關(guān)穩(wěn)壓器系統(tǒng)，用來實(shí)現(xiàn)低輸入和輸出噪聲，同時(shí)提供一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器電路的所有優(yōu)點(diǎn)。表 1 給出一個(gè)快速比較。LTM4612 與 LTM4606 類似，但具有更大的輸入和輸出電壓范圍。
在 LTM4606 和 LTM4612 中，在輸入端上集成了一個(gè)輸入高頻電感器，以衰減輸入噪聲。為了進(jìn)一步衰減 LTM4606 和 LTM4612中的低輸出噪聲，這兩款器件內(nèi)部都安裝了用于 MOSFET 和噪聲消除網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)器，以減輕噪聲耦合。
表 1：兩個(gè)新的超低噪聲 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器
輻射 EMI 噪聲測(cè)試結(jié)果
LTM4606 和 LTM4612 集成了一種功能，以最大限度地降低輻射 EMI 噪聲。輸入 型濾波器可以減輕從該器件耦合到主輸入總線的噪聲，因此減輕了影響其它電路系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。它還限制傳導(dǎo)噪聲環(huán)路。在歐洲，容許的電磁輻射一般由 EN55022 定義。另一個(gè)常用規(guī)范是 CISPR 22，它來自國(guó)際機(jī)構(gòu) Comite International Special des Perturbations Radioelectriques。結(jié)果顯示，新的 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器具有比 CISPR22 Class B (準(zhǔn)峰值) 輻射限制低超過 12dBuV 的裕度 (圖 1)。
圖 1：低噪聲 LTM4606 微型模塊于 12VIN 至 2.5VOUT/6A 的峰值掃描結(jié)果
Frequency：頻率
Antenna Polarity：天線極性
EUT Azimuth (Degrees) ：EUT 方位角 (度)
Antenna Height：天線高度
Uncorrected Amplitude：未校正幅度
Pre Amp Gain：前置放大器增益
Corrected Amplitude：校正幅度
Limit：限值
Margin：裕度
Ref.：基準(zhǔn)
Emissions Level：輻射水平
CISPR22, Class B：CISPR22 Class B
Job#：任務(wù)號(hào)
Customer：客戶
DETECTOR: +PEAK：檢測(cè)器：+峰值
一個(gè)用于高速 SERDES 和 FPGA I/O 的干凈和高效率電源
盡管線性穩(wěn)壓器仍然是在 FPGA 和 ASIC 中為 I/O 線路供電的可行和簡(jiǎn)單的解決方案，但是隨著以非�？焖俾� (在有些情況下超過 8Gbps 和高達(dá) 10Gbps) 工作的 SERDES (串行器-解串器) 的推出，線性穩(wěn)壓器不得不提供比過去更大的功率。在提供大輸出功率的同時(shí)，線性穩(wěn)壓器還耗散更多熱量。更多熱耗散的結(jié)果是，器件變得更熱，而且熱量管理可能變得昂貴、具有挑戰(zhàn)性并常常變得不實(shí)際。
另外，因?yàn)榫�性穩(wěn)壓器的電源抑制比 (PSRR) 在 100kHz 以上極大地降低，所以線性穩(wěn)壓器在從高頻開關(guān)穩(wěn)壓器 (例如:500kHz) 濾除噪聲方面是無效的。由于這個(gè)原因，給線性穩(wěn)壓器的電路增加了鐵氧體珠和 型濾波器，以降低高頻噪聲。
諸如新的低噪聲微型模塊穩(wěn)壓器系列等仔細(xì)設(shè)計(jì)的開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案不僅能以相當(dāng)于線性穩(wěn)壓器一小部分的熱耗散就能提供同樣的輸出功率，而且還能以非常低的噪聲提供功率，因此它可以用于 FPGA 或 ASIC 系統(tǒng)中的高速收發(fā)器。
將 DC/DC 微型模塊噪聲性能轉(zhuǎn)換成抖動(dòng)和眼圖掃描結(jié)果：DC/DC 微型模塊系列經(jīng)過賽靈思公司檢驗(yàn)，適用于 RocketIO™
用這個(gè)超低噪聲 DC/DC 穩(wěn)壓器系列實(shí)現(xiàn)噪聲降低已經(jīng)顯示了極好的結(jié)果�，F(xiàn)在，經(jīng)過幾次測(cè)試，這些結(jié)果已經(jīng)轉(zhuǎn)換到了數(shù)字域。根據(jù)賽靈思公司設(shè)置的試驗(yàn)，可以得出幾個(gè)結(jié)論。試驗(yàn)配置、試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)結(jié)果的詳細(xì)演示在 FPGA Journal Chalk Talk 網(wǎng)絡(luò)廣播中提供：https://admin.acrobat.com/_a700655680/xilinx080826/。
1) 眼圖掃描
用來測(cè)量收發(fā)器眼圖張開度的眼圖掃描結(jié)果顯示了良好的質(zhì)量。如圖 2 所示，眼圖張開度保證這個(gè)的 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器系列提供大電流 (能提供高達(dá) 6A 的電流)，而且不會(huì)降低眼圖質(zhì)量。
2) 抖動(dòng)測(cè)試
收發(fā)器的性能取決于發(fā)送器產(chǎn)生的抖動(dòng)和接收器的抖動(dòng)容限。包括 LTM4606 在內(nèi)的 4 個(gè)產(chǎn)品都顯示了與線性穩(wěn)壓器可比較而且在有些情況下比線性穩(wěn)壓器還好的值。換句話說，微型模塊對(duì)抖動(dòng)的影響可忽略不計(jì)。表 2 是一個(gè)總結(jié)。還可以參見圖 3。
3) 紋波
系統(tǒng)設(shè)計(jì)師用于高速 I/O 電源的另一個(gè)測(cè)量指標(biāo)是電源紋波。更低的紋波是首選。還是在表 2 中，顯示了每個(gè) DC/DC 微型模塊在 1.0V 和 1.2V 的輸出紋波。與線性穩(wěn)壓器 (LTC3026) 的紋波相比，結(jié)果有時(shí)更好 (也見表 2)。
LTM4606 DC/DC 微型模塊用于高速 I/O
經(jīng)過測(cè)試適用于 RocketIO 的 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器之一是 LTM4606。LTM4606 是一個(gè)高 VIN、5A 的完整 DC/DC 系統(tǒng)級(jí)封裝。就這個(gè)測(cè)試而言，兩個(gè) LTM4606 微型模塊組裝在一個(gè)插件板上，用于賽靈思的 Virtex-5 ML52x 測(cè)試板。一個(gè) LTM4606 調(diào)節(jié) 1.0V，另一個(gè)調(diào)節(jié) 1.2V。
 
表 2：超低噪聲 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器為 RocketIO 供電時(shí)顯示卓越結(jié)果 ---- LTM 器件與低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 比較
總結(jié)：結(jié)合超低 EMI、低熱耗散和緊湊外形的 DC/DC 解決方案像線性穩(wěn)壓器一樣簡(jiǎn)單，適用于高速 IO 和 SERDES
一個(gè)創(chuàng)新性 DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器系列已經(jīng)設(shè)計(jì)出來，用于在高速數(shù)據(jù)傳輸中關(guān)注 EMI 和/或最低 BER 的噪聲敏感電子系統(tǒng)。這些器件已經(jīng)由獲得認(rèn)證可進(jìn)行 EMI 評(píng)估的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室所測(cè)試。此外，這個(gè)產(chǎn)品系列的一個(gè)子集在高速收發(fā)器系統(tǒng)上經(jīng)過測(cè)試，以評(píng)估其對(duì)抖動(dòng)的影響。
由于如下原因，這些微型模塊穩(wěn)壓器能以高效率、緊湊型封裝和類似線性穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)提供超低噪聲性能：
• 屏蔽的電感器
• 仔細(xì)的布局
• 片上濾波器
• 受控 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)
• 低輸入和輸出紋波
• 采用表面貼裝封裝的完整 DC/DC 電路
這個(gè) DC/DC 微型模塊穩(wěn)壓器系列讓所有關(guān)注噪聲的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師安心。 |
