巧用模拟器件，工程师必读：解决电源毛刺和纹波问题

发布时间：2022-12-9 阅读量：2367 来源: 我爱方案网作者: 我爱方案网

电源设计需符合各种安规中关于电磁干扰 (EMI) 或射频干扰 (RFI) 的日益严格的规范。但是电源上电时刻，系统协同工作和DC电源的纹波，是系统稳定性的核心问题。今天给工程师二个对付电源毛刺和DC纹波的办法和器件选型建议。

有经验的工程师都知道，系统最危险的时刻之一是电源上电通电的时刻。其中，上电时与时序和压摆率相关的 IC 性能可能是温度、相关电容器、机械应力、老化和其他因素的函数。当工作电压轨下降至较低的个位数值时，就会加剧潜在的问题，从而减少在标称电源轨下工作时的动态余量。所有这些因素都有可能造成开启性能不一致和令人沮丧的调试过程。

第二个问题是稳压器提供了所需的 DC 电源轨，它可能需要额外的元件来确保正常启动、瞬态性能和低纹波，这反过来又会影响设备尺寸、上市时间和总材料清单 (BOM)。

产生毛刺的原因

在接通电源、集成电路过渡到正常工作状态的“上电”期间可能出现毛刺，特别是在低电压系统中。此类上电毛刺特别令人头疼，因为它们可能导难以试的间歇性问题，而且这些问题又没有明显的关联性或一致性。由于毛刺诱发条件往往是在“边缘”，它们的发生可能随温度、电源线容差（虽然仍在规格范围内）、同一设备批次中个别元件的变化以及其他难以确定的因素而发生变化。

低电压系统会放大毛刺问题，随着在越来越低的电压下工作的低功耗设备日趋增多，这种毛刺也就变成了主要问题。我们来考虑具有 3.3 V、2.5 V 和 1.8 V 三个逻辑电平的系统。对于 3.3 V 系统，输出低压阈值 (Vol) 和输入低压阈值 (Vil) 在 0.4 V 和 0.8 V 之间。如果在 0.9 V 时出现毛刺，可能由于开启和关闭操作导致处理器变得不稳定。

解决毛刺问题的办法及器件选型

克服这个问题并不需要恢复到更高的电压轨，也不需要采用复杂的系统级架构来消除毛刺或将其影响降到最低。相反，我们需要新一代监控 IC，无论在上电或断电条件下的电压水平如何，都可以识别问题的独特方面并防止出现毛刺。

实现这一目的需要采用专有的电路和 IC，如 MAX16162，这是一款具有无毛刺上电功能的毫微功耗电源监控器。有了这款采用四凸点 WLP 和四引脚 SOT23 封装的小型 IC，只要 V_DD 低于阈值电压，复位输出就会保持低电平，从而防止复位线路上出现电压毛刺。一旦达到电压阈值并且延迟时间结束，复位输出就取消断言并启用微控制器。

不同于传统监控 IC 在 V_CC 非常低时无法控制复位输出状态，MAX16162 的复位输出保证在达到有效的 V_CC 水平之前一直保持断言状态。

MAX16161 是 MAX16162 的近亲，规格几乎相同，但存在一个功能差异且前者对一些引脚布局进行了重新定义。该器件配备了手动复位 (MR) 输入，会在接收到适当的输入信号时发出复位信号。根据具体选择，该信号可以是低电平有效或高电平有效信号。相比之下，MAX16162 没有 MR 输入，而是配备独立的 V_CC 和 V_IN 的引脚，允许阈值电压低至 0.6 V。

稳压器必须解决三大关键问题

降压型 DC/DC 稳压器广泛用于提供 DC 电源轨。一个典型的系统可能有几十个这样的电源轨，用于提供不同的电源轨电压或在同一电压下的分离式电源轨。

大多数稳压器必须解决三大关键问题，但仅从那些接受非稳压 DC 输入并提供稳压 DC 输出的功能块的简单角度来看，这些问题未必显而易见。具体问题包括：

发热小：高能效和相关的发热影响最小。

静音：具有适合无故障系统性能的低纹波，以及满足辐射噪声标准（非声学）的低 EMI。

全面：一种能最大限度地减少尺寸、风险、BOM、上市时间和其他“软”问题的解决方案。

解决这些问题的方法:

预测和管理风险是设计者工作的一个正常部分。减少这些风险的数量、强度是标准的终端产品战略。具体的解决方案是采用功能全面的 DC/DC 稳压器，即通过良好的设计和实施，使其实现发热小、静音和全面。使用已知设备可以减少不确定性，同时解决尺寸、成本、EMI、BOM 和装配风险等问题。这样做也会加快上市时间，并减少是否满足监管合规要求导致的烦恼。

通过查看此类稳压器的完整系列，如 Analog Devices 的 Silent Switcher µModules，设计者可以选择与所需额定电压、电流相匹配的 DC/DC 稳压器，同时确保满足 EMI 要求，已知晓尺寸和成本并且不会出现意外。

这些稳压器所包含的内容已远超创新的原理和拓扑结构。这些稳压器采用的技术包括：

技术 1：将稳压器的开关用作射频振荡器/源，并与作为天线的键合线结合。这就把该组件变成了一个射频发射器，但不需要的能量可能会超过允许的限度。

技术 2：使用对称输入电容，通过构建平衡的、方向相反的电流来抑制 EMI。

技术 3：最后，使用方向相反的电流环来消除磁场

器件选型：

Silent Switcher µModule 由许多独立单元组成，其输入电压范围、输出电压轨和输出电流的额定值各不相同。例如，LTM8003 是一款 3.4 V 至 40 V 输入、3.3 V 输出、连续 3.5 A（6 A 峰值）的 µModule，符合 CISPR 25 的第 5 类限值规定，但尺寸仅为 9 × 6.25 mm，高 3.32 mm 。

该器件的引脚布局符合故障模式影响分析 (FMEA) 的要求 (LTM8003-3.3)，这意味着在相邻引脚短路或引脚处于浮动状态时，输出保持稳压电压或低于该电压。典型静态电流仅为 25 µA，H 级版本的额定工作温度为 150℃。

LTM4657 是针对高开关损耗和低传导损耗的较好解决方案，例如在负载电流小和/或输入电压高的应用中。LTM4626 和 LTM4657 在相同开关频率下工作，具有相同的 12 V 输入和 5 V 输出，可以看出 LTM4657 的开关损耗更低（图 11）。此外，值更大的电感器减少了输出电压纹波。然而，LTM4626 能比 LTM4657 提供更多负载电流。

总结：

解决电源毛刺和文波问题，是电源设计的关键，是为了确保系统的稳定性。工程师可应用新一代监控 IC，无论在上电或断电条件下的电压水平如何，都可以识别问题的独特方面并防止出现毛刺。而面对DC稳压器问题，除开上述的三个技术外，还应巧用模拟器件，来解决问题。