開關電源的基本原理之一，是其不能產生大量的雜訊。因此，安靜、經過良好調節的電源對於在許多電路應用中實現最佳性能是很重要的。為了獲得此種性能水準，最重要的是能夠降低轉換過程中產生的任何雜訊。而實現此目標的簡單方法，就是使用線性穩壓器。然而，儘管線性穩壓器可提供安靜的電源軌，但是其轉換效率在高降壓比條件下欠佳，而這在高輸出電流應用中會導致設計的熱問題。
當然，基於磁性元件的開關穩壓器能夠緩解常見的熱問題，這是因其通常具有高轉換效率，從而在最終應用要求高輸出電流時可實現熱設計的簡化。眾所周知，元件選擇和電路板布局在決定幾乎所有電源之設計成敗方面會發揮重要的作用。這些方面設定了它們的功能性電磁干擾(EMI)和熱運作方式。對於新手來說，開關電源布局可能貌似一種神秘的藝術，但是事實上它是設計的一個基本，而這方面在設計過程的早期常常是被忽視的。由於功能性EMI要求始終是必須滿足的，因此對電源功能穩定性有好處的作法對其EMI輻射指標常常也是有益的。此外，從頭開始的良好布局不僅不會為設計增加任何成本，而且透過免除增加EMI濾波器、結構遮罩、EMI測試時間和諸多電路板修改的需要，實際上還能節省成本。
而且，當在設計中使用多個DC/DC開關模式穩壓器以產生多個電源軌，或透過穩壓器的並聯來實現均流和提供較高輸出功率時，由於雜訊所引起的潛在干擾問題還會加劇。如果所有均在一個相似的頻率工作(開關操作)，則由一個電路中的多個穩壓器產生的組合能量將集中在一個頻率上。該能量的存在會形成問題，特別是如果印刷電路板(PCB)上其餘的IC、以及其他系統板彼此靠近且容易受到該輻射能量的不良影響。在安裝密度高和通常靠近電雜訊發生源(例如：機械式開關感應負載、脈衝寬度調變(PWM)驅動功率輸出、微處理器時脈和接觸式開關)的工業和汽車系統中，這會格外麻煩。此外，如果在不同的頻率執行開關操作，則互調分量會混疊至敏感的頻段中。
開關穩壓器輻射
在重視低散熱量和高效率的場合中，常常用開關穩壓器取代線性穩壓器。而且，開關穩壓器通常是輸入電源匯流排線路上的第一個主動元件，因而對於整個產品設計的EMI性能具有重大的影響。
傳導輻射「騎」在連接至某個產品的導線和布線上。由於雜訊集中到設計中的某個特定端子或連接器，因此若要確保符 合傳導輻射相關規範，通常可利用良好的布局或濾波器設計在開發過程的早期予以保證。輻射發射是完全不同的另外一件事情。電路板上每個傳輸電流的元件和線路都輻射出一個電磁場。電路板上的每一根布線都是一個天線，而每個銅平面則是一個諧振器。任何電訊號(純正弦波或DC電壓除外)都將在整個訊號頻譜上產生雜訊。即使採取了謹慎的設計，電源設計師在對系統進行測試之前都絕對不會真正知道輻射發射將糟糕到什麼程度。而且，直到設計基本完成才能正式實施輻射發射測試。
濾波器常用於透過衰減某個特定頻率上或某個頻率範圍內的訊號強度來降低EMI。穿越空間傳輸的部分該能量(輻射能量)透過增設金屬和磁遮罩加以衰減。「騎」在PCB布線上的那部分能量(傳導能量)則透過增設鐵氧體磁珠和其他濾波器進行抑制。EMI雖然是不可消除，但是能夠被衰減至一個其他通訊、訊號處理和數位元件可以接受的水準。此外，有幾家監管機構則強制執行標準以確保在工業和汽車系統實現合規性。
採用表面黏著技術的新式輸入濾波器元件擁有優於通孔式元件的性能。然而，這種改善的步伐落後於當今高頻開關穩壓器所產生之需求的增速。由於較快開關轉換的原因，在較高工作頻率上要求較低的最小導通和關斷時間，會產生較高的諧波分量，從而增加輻射雜訊。然而，這些高開關邊緣速率是獲得較高轉換效率所必需的。開關電容器充電泵(Charge Pump)並未呈現這種運行方式，因為它操作於低得多的開關頻率，而且最重要的是能夠容許較慢的開關轉換，並不會導致效率的下降。
精明的PCB設計者將縮小熱迴路，並採用與主動層盡可能靠近的遮罩接地層。儘管如此，元件Pin-out配置、封裝結構、熱設計要求和在去耦元件中儲存充足能量所需的封裝尺寸，還是決定了熱迴路尺寸必須最小化。更複雜的是，在典型的平面型印刷電路板中，布線之間高於30MHz的磁性或變壓器型耦合將削弱濾波器所產生的各種作用，這是因為諧波頻率越高，就會成為不良影響越強的有害磁耦合。
開關電容器充電泵
充電泵已經存在了幾十年，它們提供DC/DC電壓轉換，使用一個開關網路對兩個或更多的電容器進行充電和放電。基本的充電泵開關網路在電容器的充電和放電狀態之間切換。如圖1所示，「飛跨電容器」C1負責往返運送電荷，「儲能電容器」C2用於保存電荷並對輸出電壓進行濾波。附加的「飛跨電容器」和開關陣列可實現多種增益。
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| 圖1 電壓逆變器的簡化充電泵方框圖 |
當開關S1和S3導通(即閉合)，而開關S2和S4切斷(即開路)時，輸入電源為C1充電。在下一個週期中，S1和S3斷開，S2和S4導通，電荷轉移至C2，從而產生VOUT=–(V+)。
然而直到近期，充電泵一直存在著輸入和輸出電壓範圍有限的問題，因而限制了其在輸入常常高達40V或更高的工業和汽車應用中的使用。
現已有廠商在該領域中，陸續推出相關元件，像是凌力爾特(Linear)的高整合度、高電壓低雜訊雙輸出電源的元件，採用單一正輸入電壓，無需電感器並以高效率提供5V和3.3V降壓電源。該元件可操作於寬廣的5.5V至38V輸入電壓範圍內，包括可獨立致能的雙輸出：5V 100mA電源，以及250mA 3.3V低壓差(LDO)穩壓器，總共提供350mA可用輸出電流。相較於雙LDO解決方案，這些穩壓器結合使用後的功耗會低得多。這款元件的完整原理圖請見圖2。
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| 圖2 LTC3256具有一個5V/100mA輸出和一個3.3V/250mA輸出 |
此元件設計專為符合ISO26262診斷覆蓋要求的系統而設計，納入了豐富的安全和系統監視功能。該元件非常適合要求採用高電壓輸入提供低雜訊、低電源軌的各種應用，例如：汽車電子控制單元(ECU)/控制器區域網路(CAN)收發器電源、工業/電訊內務處理電源、以及通用型低功率轉換。
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| 圖3 LTC3256與雙LDO的功耗特性比較 |
圖3中的曲線圖顯示該元件在12VIN時，具有3.3V/250mA和5V/100mA輸出的LTC3256消耗約750mW功率，而雙LDO方案在相同條件下的功耗則幾乎達到3W。
眾所周知，在初始設計過程中需要謹慎地關注EMI考慮因素，以確保其將在系統設計完成之時順利通過EMI測試。至止，除了非常低功率系統之外，還沒有萬無一失方法來保證利用正確的電源IC選擇就能輕鬆地如願以償。不過，隨著最近高電壓充電泵等低EMI穩壓器的推出，現在有了一種可用的替代選擇。它可提供高得多的效率和較低的功耗(當與線性穩壓器相比)，而且不必應對採用開關穩壓器時存在的補償、布局、磁學和EMI問題。
(本文作者為凌力爾特電源產品行銷總監)