作者 |陶可为

出品 |汽车电子与软件

目 录

第一章：汽车电子电源的“双重困境”

第二章：噪声的物理本质与传统缓解方法的局限

第三章：颠覆性架构：辐射 EMI 的内在抑制（Silent Switcher技术）

第四章：动态噪声管理与运营模式：应对传导噪声

第五章：超低噪声开关稳定器：挑战 LDO 的底线（以TPS62913为例）

第六章：系统集成与性能验证：LDO 的终结？

第一章：汽车电子电源的“双重困境”

在现代汽车电子系统中，如高级驾驶辅助系统（ADAS）、雷达、高精度传感器和复杂的数字处理单元中，电源的完整性至关重要。工程师在设计用于时钟、数据转换器（ADC）或放大器等噪声敏感型系统的电源时，面临着提升准确度、精密度以及最大限度降低系统噪声的共同挑战。

传统的电源设计面临着一个“双重困境”：即效率与噪声的固有权衡。开关模式电源（SMPS，即DC/DC转换器）因其显著的能源效率优势而被广泛应用。然而，高效率必然伴随较高的开关频率，导致高电磁辐射（EMI）的产生，这是开关电源固有的工程挑战。传统的解决方案，尤其是在负载电流较低时（约低于2A），往往采用两级稳压级联架构：即DC/DC转换器 + 低压降稳压器（LDO）。LDO 因其固有的高电源抑制比（PSRR）和低输出噪声，被视为消除DC/DC残留纹波的理想“噪声滤镜”。

图1 传统的两级稳压架构

1.1 LDO的局限性与汽车设计的苛刻要求

对于汽车系统而言，效率和热管理是关键考量因素。当负载电流较大时（例如，超过 2A），串联的 LDO 会因为压降而产生严重的功耗和热耗散问题。例如，在典型的模拟前端应用中，后置稳压的 LDO 可能会额外增加 1.5W 的功率损耗。此外，更高电流的 LDO 通常体积也更大，这增加了设计的尺寸和成本，与现代汽车系统追求高功率密度和紧凑化的趋势相悖。

因此，如何在保持开关电源高效率的同时，实现与高性能 LDO 相媲美的超低噪声性能，已成为汽车电子电源设计中的首要任务。

1.2 监管框架：CISPR 25的强制要求

对于汽车应用而言，电源设计的可行性必须符合国际标准机构制定的严格监管限制，以确保组件与敏感电路之间的兼容性。特别值得注意的是，CISPR 25标准明确规定了汽车应用的干扰限值。

先进的开关稳压器，特别是面向汽车领域的器件，其设计目标已远超合规要求，通常需要在高开关频率（如 2 MHz）下轻松超越 CISPR 25 Class 5 峰值 EMI 限制。达到这一性能水平，意味着电源架构必须将噪声抑制的复杂性内在化（Internalize），而非仅仅依赖外部滤波或后期合规测试。

第二章：噪声的物理本质与传统缓解方法的局限

电磁干扰在 SMPS 中产生，其根本原因在于电源传输回路中电压和电流的快速变化，即高 slew rate(dV/dt 和 dI/dt)。

2.1 辐射EMI的核心源头：“热回路”

辐射 EMI 的最主要来源是与不连续电流路径相关联的“热回路”（Hot Loop）。在常见的降压（Buck）拓扑中，输入电流是不连续的，它流经由输入电容、高侧开关、低侧开关（或二极管）以及回流路径所形成的特定回路。

当电流脉冲被快速开关时，这种高dI/dt电流与回路布局固有的寄生电感相互作用，在开关节点上产生明显的电压振铃。更关键的是，该热回路所包围的物理面积(A)充当了高频辐射天线。辐射强度与高dI/dt电流和回路面积(A)的乘积成正比。

对于追求高效率的开关电源，为了最小化开关损耗，dI/dt必须保持高水平。因此，架构创新的核心要求就是：必须无情地专注于最小化热回路的面积(A)。

图2 传统DC/DC的噪声问题

2.2 传统缓解方法的局限性

历史上，工程师使用传统的外部方法来缓解 SMPS 噪声，但这往往需要巨大的设计妥协：

1. 牺牲效率：降低开关转换速率（dV/dt和 dI/dt）可以减少高频 EMI，但这会直接增加 MOSFET 的开关损耗，从而降低整体转换效率。这对于汽车的严苛功耗预算来说是不可接受的。

2. 增加尺寸和成本：使用大型、昂贵的外部滤波器元件（如 LC 滤波器）虽然能降低噪声，但这抵消了使用高开关频率来减小解决方案尺寸的优势，损害了高功率密度的目标。

这些传统方法无法同时满足高效率、小尺寸和低 EMI 的要求，这使得工程设计必须转向组件内部的内在解决方案，将热回路面积(A)缩小到元件封装边界内。

第三章：颠覆性架构：辐射 EMI 的内在抑制（Silent Switcher 技术)

先进的开关稳压器设计，通过高集成度的架构技术，成功克服了传统的权衡，并在物理层面上最小化了辐射源。主要的技术特点有以下几点：

3.1 场抵消

耦合或镜像热回路（Field Cancellation）：采用了对称排列的开关单元和输入电容器。这种布置使得相邻的电流回路承载高dI/dt的电流，但方向相反。结果是，这两个回路产生的远场磁辐射在很大程度上相互抵消。

图3 双对称热回路结构

3.2 封装改进

一般 IC 布线中使用的键合线又细又长，这会导致寄生电感和振铃高。不使用键合线，使用倒装芯片连接。采用粗短的铜柱连接可减少寄生电感并抑制振铃。

图4 倒装芯片结构降低寄生电感

3.3 内部集成输入电容

关键元件的内部集成：对降压拓扑至关重要的输入旁路电容器直接集成在稳压器封装内部。这种微米级的集成，最大限度地减小了电容与功率开关之间的物理距离，将寄生电感和辐射回路面积缩小到绝对最小值。这有效地在源头控制了磁场辐射。

图5 IC内部集成输入电容

第四章：动态噪声管理与运营模式：应对传导噪声

除了针对辐射 EMI 的架构创新外，先进的开关稳压器还通过动态运营模式来管理传导噪声、纹波和静态电流（ Iq ），以优化效率和测量灵敏度。

4.1 频谱噪声管理策略

在汽车和通信应用中，频谱的纯净度是关键。

• 展频调制 (SSM)：这是一种成本效益高的 EMI 缓解策略。SSM 有意抖动开关频率，将开关能量分散到更宽的频带上。虽然总噪声能量不变，但 SSM 降低了 EMI 的峰值频谱幅度，使系统更容易满足宽带测量的合规要求。

• 固定频率/强制连续模式（FCM）：相比之下，在为锁相环（PLLs）或压控振荡器（VCOs）等高精度时序电路供电时，必须避免频率抖动。强制连续模式（FCM/FPWM）强制稳压器持续开关，即使在轻载下也不进入脉冲跳跃模式（PSM）。这通过维持恒定、可预测的开关频率和占空比，最小化了输出纹波和抖动，防止引入低频谐波噪声（可能在 0 kHz 到 80 kHz 范围内）。

4.2 瞬时噪声控制功能

为了在关键时刻实现绝对最小噪声，一些低 Iq 稳压器提供可选择的操作模式：

• FCM（强制连续模式）：如前所述，通过连续切换，提供最小的纹波和可预测的频谱，适用于敏感的 RF 传输应用。

• 停止引脚（Stop Pin）：允许在关键测量或数据采集期间（例如来自精密传感器或无线组件）完全关闭所有开关活动。这消除了开关噪声和纹波对敏感信号链组件的传递，提供了零噪声和零纹波的瞬时电源环境。

通过这些可选择的功能，工程师可以在不使用昂贵精密信号链组件的情况下，通过主动管理稳压器的操作状态来满足系统噪声要求。

图6 关键技术对比

第五章：超低噪声开关稳压器：挑战 LDO 的底线（以TPS62913为例）

传统上，电源完整性专家认为，对于高速 RF 块、数据转换器或精密时序电路等噪声敏感负载，DC/DC 后串联 LDO 是必不可少的。然而，这种方案在高性能和高电流需求下，带来的效率和热管理负担是巨大的。

以 TI 的 TPS62913系列低噪声降压转换器为例，它通过一系列集成和架构优化，实现了与高性能 LDO 相媲美的超低噪声性能。

5.1 低固有噪声架构与控制策略

TPS62913 从源头上降低了开关转换器的噪声地板：

1. 固定频率峰值电流模式 PWM：TPS62913 采用峰值电流模式固定频率PWM 架构，工作在 2.2 MHz 或 1 MHz 的高开关频率下。这种控制模式不像某些恒定导通时间（COT）那样依赖输出纹波来维持稳定。

2. 避免低频噪声调制：固定频率 PWM 确保器件在轻载时也不会进入脉冲跳跃模式（PFM），从而最大限度地减小输出纹波，避免低频抖动和噪声调制。这为进一步的噪声抑制奠定了基础。

3. 高开关频率优势：2.2 MHz 的高频开关将开关噪声频谱推离音频和敏感频段，使其更容易通过小型滤波器抑制。高开关频率还能降低每周期电感电流纹波幅度，从而减小基础输出纹波。

4. 高 PSRR：TPS62913 的电源纹波抑制比（PSRR）在 100 kHz 以内超过 65 dB，与许多 LDO 相当，表明其对输入电压噪声具有强大的隔离能力。

5.2 NR/SS引脚实现的基准滤波

内部对带隙基准电压进行低通滤波。TPS62913 通过 NR/SS（降噪/软启动）引脚，实现了类似的功能：

• RC 低通网络：NR/SS 引脚连接一个外部电容，与内部电阻共同形成 RC 低通滤波网络，对内部基准电压进行滤波。

• 抑制 1/f 噪声：这一设计本质上模拟了 LDO 内部对基准的低通滤波机制，能够有效滤除带隙基准产生的低频 1/f 噪声和其他低频扰动。

• 降噪效果：电容值越大，滤波截止频率越低，低频噪声抑制越明显。通过使用该电容，TPS62913 的低频噪声水平能够接近高性能 LDO的水平，特别适用于 ADC 基准或 VCO 等敏感电路。

5.3 环路补偿设计与外部二级 LC 滤波器兼容性

TPS62913 最具突破性的设计在于其内部集成了针对外部二级 LC型滤波网络的补偿。

1. 解决稳定性问题：传统的降压稳压器在输出端增加 LC 滤波器通常会引入额外的双极点，导致控制环路相位裕度不足而振荡。TPS62913 在其控制回路中预先考虑并集成了补偿网络，使其能够稳定地驱动 10 nH–50 nH 量级的第二级电感（即小型铁氧体磁珠）。

2. 高频纹波衰减：工程师可以利用常用的铁氧体磁珠 + 电容型滤波网络作为第二级滤波，这一结构对高频开关纹波具有卓越的阻隔作用。磁珠在高频下呈现高阻抗。

3. 定量效果：加装二级磁珠滤波器后，输出纹波相比未加滤波时可下降约 30 dB（即缩小到原来的 1/31.6），使纹波降至 < 10 µV_RMS的超低水平。

4. 遥感反馈（Remote Sense）：TPS62913 提供了 PSNS 引脚，支持 Kelvin 感测。通过将反馈节点选在磁珠后的负载端，误差放大器能够感知到经过磁珠滤波后的真实输出电压，并补偿磁珠上的直流压降，确保在负载端维持精确稳压，从而防止二级滤波器影响负载调整率。

TPS62913 通过将磁珠型滤波网络纳入稳压环路设计，极大地简化了低噪声电源的设计，并在不引入线性稳压器的情况下，实现了与传统 DC/DC + LDO 方案几乎无异的超低纹波和噪声性能。

第六章：系统集成与性能验证：LDO 的终结？

现代超低噪声开关稳压器的出现，正在改变高精度电源系统的设计规则，特别是在汽车和 RF 应用中。

6.1 单级方案对高精度应用的验证

对于高精度 RF 系统，电源对相噪（Jitter）的影响是衡量其纯度的决定性因素。

最新的定量分析显示，采用优化的单级开关稳压器供电的 PLL 时钟，其相噪性能几乎与采用超低噪声 LDO 的传统两级解决方案相当。更重要的是，优化单级 SMPS 解决方案比采用非超低噪声 LDO 的两级系统实现了更好的相噪性能。

这一验证表明，现代开关稳压器的噪声性能已经高到足以在许多高精度应用中完全取代 LDO 级。采用单级开关稳压器带来的系统简化、热管理改善（降低高达 76% 的电源损耗）和 PCB 面积节省（约 36%）是巨大的设计优势。

6.2 未来展望：自适应智能与集成

低噪声开关稳压器未来的发展轨迹指向更高的集成度和自适应智能。

未来的设计可能会将磁性元件直接集成到封装中，以实现更高的开关频率，进一步微型化无源组件。此外，预计会出现更复杂的电源管理控制器，能够实时动态优化效率/噪声的权衡。这些自适应控制系统可以根据负载敏感度、频谱接近敏感频段的情况以及瞬时Iq需求，动态调整 SSM 参数、开关频率甚至开关转换速率，从而在系统层面实现即时噪声管理。