单片式开关稳压器——当所有一切都集成在芯片上时

作者：Frederik Dostal，ADI 现场应用工程师

开关稳压器可以采用单片结构，也可以通过控制器构建。在单片式开关稳压器中，各功率开关（一般是MOSFET）会集成在单个硅芯片中。使用控制器构建时，除了控制器IC，还必须单独选择半导体和确定其位置。选择MOSFET非常耗费时间，且需要对开关的参数有一定了解。使用单片式设计时，设计人员无需处理这些问题。此外，相比高度集成的解决方案，控制器解决方案通常会占用更多的电路板空间。所以，毫不意外多年来人们越来越多地采用单片式开关稳压器，如今，即使对于更高功率，ADI公司也有大量的解决方案可供选择。图1左侧是单片式降压转换器，右侧是控制器解决方案。

图1.单片式降压转换器（左）；带外部开关的控制器解决方案（右）

虽然单片式解决方案需要的空间较少，也简化了设计流程，但另一方面，控制器解决方案的优势是更加灵活。设计人员可以为控制器解决方案选择经过优化、适合特定应用的开关管，也可以控制开关管的栅级，所以能够通过更巧妙地部署无源组件来影响开关边沿。此外，控制器解决方案适合高功率，因为可以选择大型分立式开关管，且开关损耗会远离控制器IC。

但是，除了这些熟知的单片式解决方案的有利和不利因素之外，还有一个因素容易忽略。在开关稳压器中，所谓的热回路是实现低辐射的决定因素。在所有开关稳压器中，应尽量优化EMC。实现优化的基本原则之一是：最小化各个热回路中的寄生电感。在降压转换器中，输入电容和高压侧开关之间的路径，高压侧开关和低压侧开关之间的连接，以及低压侧开关和输入电容之间的连接都是热回路的一部分。它们都是电流路径，其中的电流随开关切换的速度而变化。通过快速的电流变化，因寄生电感形成电压偏移，可以作为干扰耦合到不同的电路部分。

图2.单片式开关稳压器（左）和带控制器IC的解决方案（右），每个都有一些不同形式的热回路

所以，这些热回路中的寄生电感必须保持尽可能低。图2用红色标出各热回路路径，左侧为单片式开关稳压器，右侧为控制器解决方案。我们可以看到，单片式解决方案具有两大优势。一，其热回路比控制器解决方案的热回路小。二，高压侧开关和低压侧开关之间的连接路径非常短，且只在硅芯片上完成走线。两者相比，对于带控制器IC的解决方案，连接的电流路径必须通过封装的寄生电感布线，通常采用的键合线和引线框架具有寄生电感。这会导致更高的电压偏置，以及更差的EMC性能。

结论

因此，单片式开关稳压器具备额外的，少为人知的EMI优势。这种干扰有多强，对电路有什么影响，具体取决于许多其他参数。但是，就EMC性能而言，单片式开关稳压器和带控制器IC的解决方案之间存在差异，这一点值得考虑。

作者简介

Frederik Dostal曾就读于德国埃尔兰根大学微电子学专业。他于2001年开始工作，涉足电源管理业务，曾担任多种应用工程师职位，并在亚利桑那州凤凰城工作了四年，负责开关模式电源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑ADI公司担任电源管理现场应用工程师。