为EMI敏感和高速SERDES系统供电

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作者:凌力尔特公司 Afshin Odabaee、David Ng和Jim Yin


开关稳压器噪声辐射

有两种类型的辐射:传导和辐射。传导辐射依赖于连接一个产品的导线和走线。既然噪声局限于设计中的特定终端或连接器,那么常常可以用良好的布局或滤波器设计在开发过程中相对较早地保证符合传导辐射要求。

辐射是另一回事。电路板上携带电流的所有东西都辐射一个电磁场。电路板上的所有走线都是天线,所有铜平面都是谐振器。不同于纯正弦波或 DC 电压的任何信号都产生遍布信号频谱的噪声。即使进行了仔细设计,仍然无人在系统得到测试之前真正知道辐射情况有多糟,而且辐射测试直到设计基本完成才能正式进行。

那么设计工程师能做的是什么呢?一种方法是使用经过预先测试并已知具有低辐射的器件。使用这些“经过检验和认证”的器件极大地提高了设计师成功的机会。

任何变化的电流或电压都会产生电磁 (EM) 形式的能量。这种能量在蜂窝电话、PC、医疗扫描仪、汽车、发送器、荧光灯、电线等中以不同强度出现。这种能量有在一定频率范围内定义的强度,强度随距离而变化。噪声这个名称尽管不是一个科学定义的术语,但是在 EM 能量干扰、中断或禁止其它电子器件或组件工作时,仍然用噪声来表示这种能量。它也被称为电磁干扰或 EMI。

滤波器用于通过衰减在某一频率上或一个频率范围内的 EMI 强度来降低 EMI。这种能量通过空间传播 (辐射) 的部分靠增加金属或磁屏蔽衰减。依赖于 PCB 走线 (传导) 的部分靠增加铁氧体珠和其它滤波器来控制。EMI 不能消除,但是可以衰减到一个其它通信和数字组件可接受的水平。此外,几个监管机构实施了一些标准,以确保符合 EMI 要求。


超低噪声 DC/DC 稳压器系统级封装

凌力尔特公司一个新的 DC/DC 微型模块 (µModule™) 稳压器系列通过在 DC/DC稳压器电路本身这个源头衰减传导和辐射能量,让设计师安心。一个 DC/DC 微型模块是一个完整的 DC/DC 系统级封装。它包括电感器、控制器 IC、MOSFET (或开关组件)、输入和输出电容器以及补偿电路,这些组件都制造在一个基片上并装入一个密封的表面贴装塑料封装中,就像一个 IC 一样。
 
这个系列已经过鉴定合格的 EMI 测试机构的评估,并通过了国际规范 CISPR 22的认证。换言之,这些产品经过检验和认证,可实现低噪声工作。


超低 EMI DC/DC 微型模块稳压器

一个开关稳压器的噪声主要在接通和断开时电流 (和电压) 的快速通断动作所引起。LTM4606 和 LTM4612 作为完整的开关稳压器系统,用来实现低输入和输出噪声,同时提供一个开关稳压器电路的所有优点。表 1 给出一个快速比较。LTM4612 与 LTM4606 类似,但具有更大的输入和输出电压范围。

在 LTM4606 和 LTM4612 中,在输入端上集成了一个输入高频电感器,以衰减输入噪声。为了进一步衰减 LTM4606 和 LTM4612中的低输出噪声,这两款器件内部都安装了用于 MOSFET 和噪声消除网络的优化栅极驱动器,以减轻噪声耦合。

表 1:两个新的超低噪声 DC/DC 微型模块稳压器

辐射 EMI 噪声测试结果

LTM4606 和 LTM4612 集成了一种功能,以最大限度地降低辐射 EMI 噪声。输入  型滤波器可以减轻从该器件耦合到主输入总线的噪声,因此减轻了影响其它电路系统的风险。它还限制传导噪声环路。在欧洲,容许的电磁辐射一般由 EN55022 定义。另一个常用规范是 CISPR 22,它来自国际机构 Comite International Special des Perturbations Radioelectriques。结果显示,新的 DC/DC 微型模块稳压器具有比 CISPR22 Class B (准峰值) 辐射限制低超过 12dBuV 的裕度 (图 1)。

 

图 1:低噪声 LTM4606 微型模块于 12VIN 至 2.5VOUT/6A 的峰值扫描结果

Frequency:频率
Antenna Polarity:天线极性
EUT Azimuth (Degrees) :EUT 方位角 (度)
Antenna Height:天线高度
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.:基准

Emissions Level:辐射水平
CISPR22, Class B:CISPR22 Class B
Job#:任务号
Customer:客户
DETECTOR: +PEAK:检测器:+峰值


一个用于高速 SERDES 和 FPGA I/O 的干净和高效率电源

尽管线性稳压器仍然是在 FPGA 和 ASIC 中为 I/O 线路供电的可行和简单的解决方案,但是随着以非常快速率 (在有些情况下超过 8Gbps 和高达 10Gbps) 工作的 SERDES (串行器-解串器) 的推出,线性稳压器不得不提供比过去更大的功率。在提供大输出功率的同时,线性稳压器还耗散更多热量。更多热耗散的结果是,器件变得更热,而且热量管理可能变得昂贵、具有挑战性并常常变得不实际。

另外,因为线性稳压器的电源抑制比 (PSRR) 在 100kHz 以上极大地降低,所以线性稳压器在从高频开关稳压器 (例如:500kHz) 滤除噪声方面是无效的。由于这个原因,给线性稳压器的电路增加了铁氧体珠和  型滤波器,以降低高频噪声。

诸如新的低噪声微型模块稳压器系列等仔细设计的开关稳压器解决方案不仅能以相当于线性稳压器一小部分的热耗散就能提供同样的输出功率,而且还能以非常低的噪声提供功率,因此它可以用于 FPGA 或 ASIC 系统中的高速收发器。


将 DC/DC 微型模块噪声性能转换成抖动和眼图扫描结果:DC/DC 微型模块系列经过赛灵思公司检验,适用于 RocketIO™

用这个超低噪声 DC/DC 稳压器系列实现噪声降低已经显示了极好的结果。现在,经过几次测试,这些结果已经转换到了数字域。根据赛灵思公司设置的试验,可以得出几个结论。试验配置、试验设备和试验结果的详细演示在 FPGA Journal Chalk Talk 网络广播中提供:https://admin.acrobat.com/_a700655680/xilinx080826/

1) 眼图扫描
用来测量收发器眼图张开度的眼图扫描结果显示了良好的质量。如图 2 所示,眼图张开度保证这个的 DC/DC 微型模块稳压器系列提供大电流 (能提供高达 6A 的电流),而且不会降低眼图质量。
2) 抖动测试
收发器的性能取决于发送器产生的抖动和接收器的抖动容限。包括 LTM4606 在内的 4 个产品都显示了与线性稳压器可比较而且在有些情况下比线性稳压器还好的值。换句话说,微型模块对抖动的影响可忽略不计。表 2 是一个总结。还可以参见图 3。
3) 纹波
系统设计师用于高速 I/O 电源的另一个测量指标是电源纹波。更低的纹波是首选。还是在表 2 中,显示了每个 DC/DC 微型模块在 1.0V 和 1.2V 的输出纹波。与线性稳压器 (LTC3026) 的纹波相比,结果有时更好 (也见表 2)。

LTM4606 DC/DC 微型模块用于高速 I/O

经过测试适用于 RocketIO 的 DC/DC 微型模块稳压器之一是 LTM4606。LTM4606 是一个高 VIN、5A 的完整 DC/DC 系统级封装。就这个测试而言,两个 LTM4606 微型模块组装在一个插件板上,用于赛灵思的 Virtex-5 ML52x 测试板。一个 LTM4606 调节 1.0V,另一个调节 1.2V。

表 2:超低噪声 DC/DC 微型模块稳压器为 RocketIO 供电时显示卓越结果 ---- LTM 器件与低压差稳压器 (LDO) 比较


总结:结合超低 EMI、低热耗散和紧凑外形的 DC/DC 解决方案像线性稳压器一样简单,适用于高速 IO 和 SERDES

一个创新性 DC/DC 微型模块稳压器系列已经设计出来,用于在高速数据传输中关注 EMI 和/或最低 BER 的噪声敏感电子系统。这些器件已经由获得认证可进行 EMI 评估的测试实验室所测试。此外,这个产品系列的一个子集在高速收发器系统上经过测试,以评估其对抖动的影响。

由于如下原因,这些微型模块稳压器能以高效率、紧凑型封装和类似线性稳压器的简单设计提供超低噪声性能:

• 屏蔽的电感器
• 仔细的布局
• 片上滤波器
• 受控 MOSFET 栅极驱动
• 低输入和输出纹波
• 采用表面贴装封装的完整 DC/DC 电路

这个 DC/DC 微型模块稳压器系列让所有关注噪声的系统设计师安心。