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Ride Through the MLCC Shortage by Reducing Capacitance Requirements in Your Power Supplies 作者：Atsuhiko Furukawa，ADI 現場(chǎng)應用工程師 在全球范圍內，多層陶瓷電容(MLCC)供不應求。很大部分原因是因為手機的電子復雜性提高、電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)售量增加，以及全球各行各業(yè)電子內容的擴展。相比幾年前，一些智能手機的MLCC用量翻了一番；相比使用典型的現代內燃機的汽車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)的MLCC用量增加至少4倍（圖1）。MLCC從2016年底開(kāi)始缺貨，這使得生產(chǎn)大電容值產(chǎn)品（幾十μF或更高）變得尤其困難，而最新電子器件采用的高能電源需要這種電容才能運行。制造工廠(chǎng)想要降低MLCC要求不可避免地想要從電源的電容要求著(zhù)手，尤其是開(kāi)關(guān)穩壓器的電容。因此，電源設計人員成為解決電容短缺問(wèn)題的關(guān)鍵。 
圖1.全球范圍內電動(dòng)汽車(chē)(a)和手機(b)對MLCC的用量增加，但生產(chǎn)量沒(méi)有相應增加，導致MLCC缺貨。1 電源電路使用電容——大量電容 典型的直流-直流降壓變換器使用下列電容（參見(jiàn)圖2）： u 輸出電容：在負載瞬態(tài)響應期間，平緩輸出電壓波紋和電源負載電流。一般使用幾十μF到100 μF的大電容。 u 輸入電容：除了穩定輸入電壓之外，它還被用于輸入電流的即時(shí)供應。一般在幾μF到幾十μF之間。 u 旁路電容：吸收開(kāi)關(guān)操作產(chǎn)生的噪聲和來(lái)自其他電路的噪聲。一般在0.01 μF到0.1 μF之間。 u 補償電容：保證反饋回路中的相位裕量并防止振蕩。通常為幾百pF或幾十nF。有些開(kāi)關(guān)穩壓器IC中采用了補償電容。 降低電容的最好方法是想辦法最小化輸出電容的數量。本文接下來(lái)將介紹減少輸入電容的策略方法，然后介紹降低旁路電容要求，以及，在一定程度上，減少輸入電容的解決方案。
圖2.典型降壓穩壓器使用的電容。 增加開(kāi)關(guān)頻率，以降低輸出電容 圖3a顯示的是典型的電流模式降壓變換器的框圖，下部電路區域表示反饋回路和補償電路。 反饋回路的特性如圖3b所示�；芈吩鲆鏋�0 dB（增益=1）時(shí)的頻率被稱(chēng)為交越頻率(fC)。交越頻率越高，穩壓器的負載階躍響應性能越出色。例如，圖4顯示的是支持負載電流從1A快速增加到5A的穩壓器的負載階躍響應。所示結果對應的交越頻率為20 kHz和50 kHz，分別導致60 mV和32 mV壓降。
圖3.典型降壓穩壓器(a)的框圖和典型的反饋特性(b)。
圖4.比較采用兩種交越頻率時(shí)，降壓穩壓器的負載階躍響應。 從表面上看，提高交越頻率似乎是個(gè)簡(jiǎn)單方法：可以通過(guò)最小化輸出壓降來(lái)改善負載階躍響應，從而減少輸出電容數量。但是，提高交越頻率會(huì )導致兩個(gè)問(wèn)題。第一，需要保證反饋回路具備足夠的相位裕量，以防止振蕩。一般來(lái)說(shuō)，采用該交越頻率時(shí)，需要45°或更高（最好是60°或以上）的相位裕量。 第二，需要注意開(kāi)關(guān)頻率(fSW)和fc之間的關(guān)系。如果它們的幅度相當，負反饋會(huì )響應輸出電壓波紋，從而影響到穩定運行。作為一項指導，可以將交越頻率設置為開(kāi)關(guān)頻率的1/5（或更低），如圖5所示。
圖5.如果開(kāi)關(guān)頻率和控制回路交越頻率太過(guò)接近，負反饋可能響應輸出電壓波紋。最好是讓交越頻率低于開(kāi)關(guān)頻率1/5。 要增加交越頻率，需要同時(shí)增加開(kāi)關(guān)頻率，但是，這會(huì )導致頂部和底部FET的開(kāi)關(guān)損耗增加，會(huì )降低轉換效率和產(chǎn)生更多熱量。在電容上實(shí)現的節省會(huì )因為增加散熱元件帶來(lái)的復雜性抵消：比如鰭狀散熱器、風(fēng)扇或額外的板空間。 是否能夠在高頻率下保持高效率？答案是肯定的。使用ADI公司提供的Power by Linear™穩壓器IC就可以達到這種效果，這些穩壓器IC采用獨特的FET控制功能，在更高開(kāi)關(guān)頻率下也能保持高效率（圖6）。 例如，LT8640S 6 A輸出降壓穩壓器在操作頻率為2 MHz時(shí)（12V輸入和5V輸出），在整個(gè)負載范圍內（0.5 A至6 A）能保持高于90%的效率。 這個(gè)穩壓器也可以通過(guò)減少電流波紋(ΔIL)來(lái)降低電容要求，從而降低輸出波紋電壓(ΔVOUT)，如圖7所示�；蛘�，使用更小的電感。 開(kāi)關(guān)頻率更高時(shí)，可以增加交越頻率，以改善負載階躍響應和負載調整，如圖8所示。
圖6.Power by Linear穩壓器與競爭產(chǎn)品。對于典型的穩壓器，開(kāi)關(guān)頻率增高時(shí)，效率會(huì )下降。ADI的Power by Linear穩壓器可以在非常高的操作頻率下保持高效率，因而支持使用值更小的輸出電容。
圖7.通過(guò)增加開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減小電容和電感的尺寸。
圖8.增加開(kāi)關(guān)頻率可以改善負載階躍響應。 Silent Switcher穩壓器可以大幅降低旁路電容 如果減少旁路電容的數量，會(huì )如何？旁路電容主要被用于吸收開(kāi)關(guān)操作產(chǎn)生的噪聲。如果能從其他方面降低開(kāi)關(guān)噪聲，就可以減少旁路電容的數量。有一個(gè)特別簡(jiǎn)單的方法可以實(shí)現這種效果，即使用Silent Switcher穩壓器。 Silent Switcher穩壓器如何降低開(kāi)關(guān)噪聲？開(kāi)關(guān)穩壓器具有兩個(gè)電流回路：頂部FET開(kāi)啟，底部FET關(guān)閉（紅色回路）；頂部FET關(guān)閉，底部FET開(kāi)啟（藍色回路），如圖9所示。熱回路傳輸完全開(kāi)關(guān)的交流電流，也就是說(shuō)，從0切換到IPEAK，然后回到0。它具備最高的交流和EMI能源，會(huì )產(chǎn)生最強變化的磁場(chǎng)。
圖9.開(kāi)關(guān)穩壓器中的熱回路會(huì )因為本身產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)而導致大量輻射噪聲。 可以使用壓擺率控制來(lái)降低柵級信號變化的頻率（降低di/dt），以便抑制開(kāi)關(guān)噪聲。這種方法雖然能夠抑制噪聲，但會(huì )增加開(kāi)關(guān)損耗，導致產(chǎn)生更多熱量，在之前所述的高開(kāi)關(guān)頻率下尤其如此。壓擺率控制在某些條件下是有效的，ADI公司也提供包含這種控制的解決方案。 Silent Switcher穩壓器可以抑制熱回路中產(chǎn)生的電磁噪聲，但不是使用壓擺率控制。而是將VIN引腳一分為二，令熱回路可以分成兩個(gè)對稱(chēng)的熱回路。產(chǎn)生的磁場(chǎng)被限制在靠近IC的區域，其他位置大幅降低，從而最大限度地降低輻射開(kāi)關(guān)噪聲（圖10）。
圖10.獲得專(zhuān)利的Silent Switcher技術(shù)。 LT8640S是Silent Switcher技術(shù)的第二代，即Silent Switcher 2（圖11），IC內部集成高頻輸入電容。這可以確保最大限度地抑制噪聲，因此也無(wú)需如以前一樣非常小心地在布局中確定輸入電容的位置。毫無(wú)疑問(wèn)，這也會(huì )降低對MLCC的要求。另一項功能——展頻，會(huì )通過(guò)動(dòng)態(tài)改變開(kāi)關(guān)頻率來(lái)降低噪聲峰值。LT8640S兼具這些功能，因此能夠輕松滿(mǎn)足CISPR 25 5級EMC汽車(chē)標準（圖12）。
圖11.ADI公司提供的Silent Switcher 2技術(shù)在IC中集成輸入電容，由此簡(jiǎn)化布局和提升噪聲抑制性能。
圖12.在Silent Switcher 2器件（例如LT8640S）中采用這些降噪功能使得產(chǎn)品能夠輕松滿(mǎn)足CISPR 25 5級峰值限值標準，甚至降低輸入和旁路電容。 結論 ADI公司提供的Power by Linear器件有助于降低MLCC要求，從而幫助設計人員解決MLCC短缺問(wèn)題�？梢酝ㄟ^(guò)使用高頻率操作來(lái)降低輸出電容要求，同時(shí)保持出色的高效率。采用Silent Switcher架構的器件可以大幅抑制EMI噪聲，從而降低旁路電容要求。Silent Switcher 2器件進(jìn)一步降低了對MLCC的需求。 參考資料 1 Robin Blackwell�！巴顿Y演示，2018年2月�！盞EMET，2018年2月。 LT8640S數據手冊。ADI公司，2017年6月。 Seago, John�！癘PTI-LOOP架構降低了輸出電容，改善了瞬態(tài)響應�！盇DI公司，2007年8月。 Zhang, Henry J. “開(kāi)關(guān)模式電源的模型和回路補償設計�！盇DI公司，2016年2月。 作者簡(jiǎn)介 Atsuhiko Furukawa于2006年加入凌力爾特（現在已成為ADI公司的一部分）。10多年以來(lái)，他一直為中小型客戶(hù)提供多種應用技術(shù)支持。2017年，他被調到汽車(chē)部門(mén)，現在主要負責設計大型（幾kW）和小型安全汽車(chē)應用。Atsuhiko是一名馬拉松長(cháng)跑健將，取得的最好成績(jì)是3小時(shí)3分鐘。聯(lián)系方式：atsuhiko.furukawa@analog.com。 |
