通过降低电源对电容的要求来解决MLCC短缺问题

全球范围内，多层陶瓷电容(MLCC)的供应短缺问题日益严重。这主要源于手机电子复杂性的提高、电动汽车销售量的增加以及全球各行业电子内容的扩展。与几年前相比，一些智能手机的MLCC用量增加了一倍；而电动汽车使用的MLCC数量相较于传统内燃机汽车至少增加了4倍(图1)。自2016年底以来，MLCC短缺现象日益显著，尤其使得生产大电容值产品(几十µF或更高)变得更加困难，而现代高能电子器件对此类电容的需求持续增加。制造工厂必须着手降低MLCC要求，特别是开关稳压器的电容。因此，电源设计人员成为解决电容短缺问题的关键。

图1.全球范围内电动汽车(a)和手机(b)对MLCC的用量增加，但生产量没有相应增加，导致MLCC缺货。

电源电路使用电容——大量电容

典型的直流-直流降压变换器使用下列电容(参见图2)：

输出电容：用于在负载瞬态响应期间平缓输出电压波纹和电源负载电流。一般使用几十μF到100 μF的大电容。

输入电容：用于稳定输入电压，并在需要时即时供应输入电流。一般在几μF到几十μF之间。

旁路电容：吸收开关操作产生的噪声以及来自其他电路的噪声。一般在0.01 μF到0.1 μF之间。

补偿电容：保证反馈回路中的相位裕量并防止振荡。通常为几百pF或几十nF，有些开关稳压器IC中采用了补偿电容。

图2.典型降压稳压器使用的电容。

增加开关频率，以降低输出电容

图3a显示了典型电流模式降压变换器的框图，下部电路区域表示反馈回路和补偿电路。反馈回路的特性如图3b所示。在回路增益为0 dB(增益=1)时的频率被称为交越频率(fC)。交越频率越高，稳压器的负载阶跃响应性能越优秀。例如，图4所示为支持负载电流从1A快速增加到5A的稳压器的负载阶跃响应。所示结果对应的交越频率分别为20 kHz和50 kHz，导致输出电压波纹分别为60 mV和32 mV。

图3.典型降压稳压器(a)的框图和典型的反馈特性(b)。

图4.比较采用两种交越频率时，降压稳压器的负载阶跃响应。

提高交越频率似乎是一个简单的方法，通过最小化输出压降来改善负载阶跃响应，从而减少输出电容数量。但是，这种方法会导致两个问题。首先，需要确保反馈回路具备足够的相位裕量，以防止振荡。一般来说，采用该交越频率时，需要45°或更高(最好是60°或以上)的相位裕量。其次，需要注意开关频率(fSW)和fc之间的关系。如果它们的幅度相当，负反馈会响应输出电压波纹，从而影响到稳定运行。作为一项指导，可以将交越频率设置为开关频率的1/5(或更低)，如图5所示。

图5.如果开关频率和控制回路交越频率太过接近，负反馈可能响应输出电压波纹。最好是让交越频率低于开关频率1/5。

为了增加交越频率，需要同时提高开关频率。然而，这会导致顶部和底部FET的开关损耗增加，降低转换效率并产生更多热量。在电容上实现的节省会因为增加散热元件带来的复杂性而抵消，比如鳍状散热器、风扇或额外的板空间。

然而，答案是肯定的：通过使用ADI公司提供的Power by Linear™稳压器IC，可以在高频率下保持高效率。这些稳压器IC采用独特的FET控制功能，在更高的开关频率下仍然能够保持高效率(图6)。举例来说，LT8640S 6A输出降压稳压器在操作频率为2 MHz时(12V输入和5V输出)，在整个负载范围内(0.5A至6A)都能保持高于90%的效率。

此外，LT8640S还可以通过减少电流波纹(ΔIL)来降低电容需求，从而降低输出波纹电压(ΔVOUT)，如图7所示，或者使用更小的电感。通过增加开关频率，可以改善负载阶跃响应和负载调整，如图8所示。

图6.Power by Linear稳压器与竞争产品。对于典型的稳压器，开关频率增高时，效率会下降。ADI的Power by Linear稳压器可以在非常高的操作频率下保持高效率，因而支持使用值更小的输出电容。

图7.通过增加开关频率来减小电容和电感的尺寸。

图8.增加开关频率可以改善负载阶跃响应。

Silent Switcher稳压器可以大幅降低旁路电容

当我们试图减少旁路电容的数量时，首先需要了解旁路电容的主要作用，即吸收开关操作产生的噪声。然而，Silent Switcher®稳压器提供了一种独特而简单的方法，可以从其他角度降低开关噪声，从而减少旁路电容的需求。

Silent Switcher稳压器的降噪原理基于开关稳压器内部的两个电流回路：顶部FET开启，底部FET关闭(红色回路)；顶部FET关闭，底部FET开启(蓝色回路)，如图9所示。其中热回路会产生交变磁场，导致辐射噪声。

图9.开关稳压器中的热回路会因为本身产生的交变磁场而导致大量辐射噪声。

为了降低这种噪声，通常使用压摆率控制来降低栅级信号变化的频率(降低di/dt)。然而，这种方法可能增加开关损耗，尤其在高开关频率下。尽管压摆率控制在特定条件下是有效的，ADI公司也提供相应的解决方案，但是Silent Switcher稳压器采用了更为创新的方法。

Silent Switcher稳压器通过将VIN引脚一分为二，使热回路分成两个对称的回路。这样一来，产生的磁场被限制在靠近IC的区域，而其他位置的辐射开关噪声大幅降低，如图10所示。

图10.获得专利的Silent Switcher技术。

LT8640S作为Silent Switcher技术的第二代，即Silent Switcher 2(图11)，在IC内部集成了高频输入电容。这一特性不仅确保最大限度地抑制噪声，还无需像以前那样在布局中格外小心地确定输入电容的位置。这也明显降低了对MLCC的需求。此外，LT8640S还具备展频功能，可以通过动态改变开关频率来降低噪声峰值。这使得LT8640S能够轻松满足CISPR 25 5级EMC汽车标准(图12)。

图11.ADI公司提供的Silent Switcher 2技术在IC中集成输入电容，由此简化布局和提升噪声抑制性能。

图12.在Silent Switcher 2器件(例如LT8640S)中采用这些降噪功能使得产品能够轻松满足CISPR 25 5级峰值限值标准，甚至降低输入和旁路电容。

结论

ADI公司提供的Power by Linear器件为解决MLCC短缺问题提供了有力支持。通过使用高频率操作可降低输出电容需求，同时保持高效率。而采用Silent Switcher架构的器件能够显著抑制EMI噪声，进而减少对旁路电容的需求。Silent Switcher 2器件更是在此基础上进一步降低了对MLCC的需求。

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