【導(dǎo)讀】多層陶瓷電容器(MLCC)的價(jià)格在過(guò)去幾年急劇上漲，究其原因，與汽車、工業(yè)、數(shù)據(jù)中心和電信行業(yè)使用的電源數(shù)量增加有關(guān)。陶瓷電容被用在電源輸出端，用于降低輸出紋波，以及控制因?yàn)楦邏簲[率加載瞬變而導(dǎo)致的輸出電壓過(guò)沖和欠沖。輸入端則要求陶瓷電容進(jìn)行解耦和過(guò)濾EMI，這是因?yàn)樵诟哳l率下，它具備低ESR和低ESL。
為了提高工業(yè)和汽車系統(tǒng)的性能，需要將數(shù)據(jù)處理速度提高幾個(gè)等級(jí)，并且在微處理器、CPU、片上系統(tǒng)(SoC)、ASIC和FPGA上集成更多耗電器件。這些復(fù)雜的器件類型需要多條穩(wěn)壓電軌：一般是內(nèi)核0.8 V，DDR3和LPDDR4分別1.2 V和1.1 V，外設(shè)和輔助組件分別為5 V、3.3 V和1.8 V。降壓（降壓型）轉(zhuǎn)換器被廣泛用于調(diào)節(jié)電池或直流總線提供的電源。
例如，汽車中的高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)產(chǎn)品組合大幅提升了陶瓷電容的使用率。隨著電信行業(yè)開始采用5G技術(shù)，也需要用到高性能電源，這也會(huì)顯著增加陶瓷電容的使用率。內(nèi)核的電源電流從幾安培增加到幾十安培，且嚴(yán)格管控電源紋波、負(fù)載瞬變過(guò)沖/欠沖和電磁干擾(EMI)，這些都需要額外的電容。
例如，汽車中的高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)產(chǎn)品組合大幅提升了陶瓷電容的使用率。隨著電信行業(yè)開始采用5G技術(shù)，也需要用到高性能電源，這也會(huì)顯著增加陶瓷電容的使用率。內(nèi)核的電源電流從幾安培增加到幾十安培，且嚴(yán)格管控電源紋波、負(fù)載瞬變過(guò)沖/欠沖和電磁干擾(EMI)，這些都需要額外的電容。
更高的電源工作（開關(guān)）頻率可以降低瞬變對(duì)輸出電壓造成的影響，降低電容需求和整體解決方案的尺寸，但是更高的開關(guān)頻率往往會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗增加，降低整體效率。能否在先進(jìn)的微處理器、CPU、SoC、ASIC和FPGA需要極高的電流時(shí)，避免這種取舍并滿足瞬變要求？
ADI公司的Linear™ 單芯片 Silent Switcher® 2 降壓穩(wěn)壓器系列幫助實(shí)現(xiàn)緊湊的解決方案尺寸、高電流能力和高效率，更重要的是，還具備出色的EMI性能。LTC7151S單芯片降壓穩(wěn)壓器使用Silent Switcher 2架構(gòu)來(lái)簡(jiǎn)化EMI濾波器設(shè)計(jì)。谷電流模式可以降低輸出電容需求。我們來(lái)看看適合SoC的20 V輸入至1 V、15 A輸出解決方案。
面向SoC的20 V輸入、15 A解決方案
圖1所示為適合SoC和CPU功率應(yīng)用的1 MHz、1.0 V、15 A解決方案，其中輸入一般為12 V或5 V，可能在3.1 V至20 V之間波動(dòng)。只需要輸入和輸出電容、電感、幾個(gè)小型電阻和電容即會(huì)組成完整的電源。此電路易于修改，以生成其他輸出電壓，例如1.8 V、1.1 V和0.85 V，一直到0.6 V。輸出電軌的負(fù)回流（至 V–引腳）使得其能夠?qū)ω?fù)載附近的輸出電壓實(shí)施遠(yuǎn)程反饋檢測(cè)，最大限度降低板路徑的壓降導(dǎo)致的反饋誤差。
圖1所示的解決方案使用LTC7151S Silent Switcher 2穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器采用高性能集成式MOSFET，以及28引腳散熱增強(qiáng)型4 mm × 5 mm × 0.74 mm LQFN封裝。通過(guò)谷電流模式實(shí)施控制。內(nèi)置保護(hù)功能，以最大限度減少外部保護(hù)組件的數(shù)量。
頂部開關(guān)的最短導(dǎo)通時(shí)間僅為20 ns（典型值），可以在極高頻率下直接降壓至內(nèi)核電壓。熱管理功能支持可靠、持續(xù)地提供高達(dá)15 A的電流、20 V的輸入電壓，無(wú)散熱或氣流，因此非常適合電信、工業(yè)、交通運(yùn)輸和汽車應(yīng)用領(lǐng)域的SOC、FPGA、DSP、GPU和微處理器使用。
LTC7151S具備廣泛的輸入范圍，可以用作一級(jí)中間轉(zhuǎn)換器，支持多個(gè)下游負(fù)載點(diǎn)或LDO穩(wěn)壓器在5 V或3.3 V時(shí)達(dá)到最高15 A。
圖1.適用于SoC和CPU的1 MHz、15 A降壓穩(wěn)壓器的原理圖和效率。
使用最小的輸出電容，滿足嚴(yán)格的瞬變規(guī)格
一般來(lái)說(shuō)，會(huì)擴(kuò)大輸出電容，以滿足回路穩(wěn)定性和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)要求。對(duì)于為處理器提供內(nèi)核電壓的電源，這些要求尤其嚴(yán)格，必須出色地控制負(fù)載瞬變過(guò)沖和欠沖。例如，在負(fù)載階躍期間，輸出電容必須介入，立即提供電流來(lái)支持負(fù)載，直到反饋回路將開關(guān)電流增高到足以接管。一般來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)在輸出端安裝大量多層陶瓷電容來(lái)抑制過(guò)沖和欠沖，在快速負(fù)載瞬變期間滿足電荷存儲(chǔ)要求。
另外，提高開關(guān)頻率也可以改善快速回路響應(yīng)，但這會(huì)增大開關(guān)損耗。
還有第三種選項(xiàng)：支持谷電流模式控制的穩(wěn)壓器可以動(dòng)態(tài)改變穩(wěn)壓器的開關(guān) TON和TOFF時(shí)間，以滿足負(fù)載瞬變需求。如此，可以大幅降低輸出電容，以滿足快速瞬變時(shí)間。圖2所示為L(zhǎng)TC7151S Silent Switcher穩(wěn)壓器立時(shí)響應(yīng)4 A至12 A負(fù)載階躍和8 A/µs壓擺率之后的結(jié)果。LTC7151S采用受控導(dǎo)通時(shí)間(COT)谷電流模式架構(gòu)，支持開關(guān)節(jié)點(diǎn)在4 A至12 A負(fù)載階躍瞬變期間壓縮脈沖。在上升沿啟動(dòng)約1 µs之后，輸出電壓開始恢復(fù)，過(guò)沖和欠沖則限制在46 mV峰峰值。圖2a中所示的3個(gè)100 µF陶瓷電容足以滿足典型的瞬變規(guī)格要求，如圖2b所示。圖2c顯示負(fù)載階躍期間的典型開關(guān)波形。
圖2.(a) 這種5 V輸入至1 V輸出的應(yīng)用在2 MHz下運(yùn)行，需要最小的輸出電容達(dá)到快速地響應(yīng)(b)負(fù)載階躍，以及負(fù)載階躍期間的(c)開關(guān)波形。
3 MHz高效降壓型穩(wěn)壓器可用于狹小空間
LTC7151S采用4 mm × 5 mm × 0.74 mm封裝，其中集成了MOSFET、驅(qū)動(dòng)器和熱回路電容。讓這些組件彼此靠近可以降低寄生效應(yīng)，以便快速開關(guān)這些開關(guān)，且保持很短的死區(qū)時(shí)間。開關(guān)的反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通損耗也大大降低。集成式熱回路解耦電容和內(nèi)置補(bǔ)償電路也可以幫助降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，最大限度減小解決方案的總體尺寸。
如前所述，頂部開關(guān)的20 ns（典型）最短間隔允許在高頻率下實(shí)現(xiàn)極低的占空比轉(zhuǎn)換，使得設(shè)計(jì)人員能夠利用極高頻率操作（例如3 MHz）來(lái)降低電感、輸入電容和輸出電容的大小和值。極為緊湊的解決方案適用于空間有限的應(yīng)用，例如汽車和醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域的便攜式設(shè)備或儀器儀表。使用LTC7151S時(shí)，可以不使用大體積散熱組件（例如風(fēng)扇和散熱器），這是因?yàn)長(zhǎng)TC7151S支持高性能功率轉(zhuǎn)換，即使在極高頻率下也是如此。
圖3顯示在3 MHz開關(guān)頻率下運(yùn)行的5 V至1 V解決方案。伊頓提供的小尺寸100 nH電感和3個(gè)100 µF/1210陶瓷電容一起，提供適用于FPGA和微處理器應(yīng)用的纖薄緊湊型解決方案。效率曲線如圖3b所示。在室溫下，全負(fù)載范圍內(nèi)溫度上升約15°C。
圖3.5 V輸入至1 V/15 A，fSW = 3 MHz下的穩(wěn)壓器原理圖和效率。
Silent Switcher 2技術(shù)幫助實(shí)現(xiàn)出色的EMI性能
使用15 A應(yīng)用滿足已經(jīng)發(fā)布的EMI規(guī)范（例如CISPR 22/CISPR 32傳導(dǎo)和輻射EMI峰值限值），可能意味著多個(gè)迭代板旋轉(zhuǎn)，涉及在解決方案尺寸、總效率、可靠性和復(fù)雜性之間取舍。傳統(tǒng)方法通過(guò)減慢開關(guān)邊沿和/或降低開關(guān)頻率來(lái)控制EMI。這兩種方法都會(huì)產(chǎn)生不良的影響，例如效率下降，最短接通和關(guān)斷時(shí)間增加，以及增大解決方案尺寸。復(fù)雜、大尺寸的EMI濾波器或金屬屏蔽等強(qiáng)力EMI消除方案在所需的電路板空間、組件和裝配方面增加了大量成本，并使熱管理和測(cè)試復(fù)雜化。
使用15 A應(yīng)用滿足已經(jīng)發(fā)布的EMI規(guī)范（例如CISPR 22/CISPR 32傳導(dǎo)和輻射EMI峰值限值），可能意味著多個(gè)迭代板旋轉(zhuǎn)，涉及在解決方案尺寸、總效率、可靠性和復(fù)雜性之間取舍。傳統(tǒng)方法通過(guò)減慢開關(guān)邊沿和/或降低開關(guān)頻率來(lái)控制EMI。這兩種方法都會(huì)產(chǎn)生不良的影響，例如效率下降，最短接通和關(guān)斷時(shí)間增加，以及增大解決方案尺寸。復(fù)雜、大尺寸的EMI濾波器或金屬屏蔽等強(qiáng)力EMI消除方案在所需的電路板空間、組件和裝配方面增加了大量成本，并使熱管理和測(cè)試復(fù)雜化。
LTC7151S前端采用簡(jiǎn)單的EMI濾波器，在EMI測(cè)試室中接受測(cè)試，通過(guò)了CISPR 22/ CISPR 32導(dǎo)通和輻射EMI峰值限值認(rèn)證。圖4顯示1 MHz、1.2 V/15 A電路的原理圖，圖5顯示吉赫茲?rùn)M電磁波(GTEM)電池的輻射EMI CISPR 22的測(cè)試結(jié)果。
圖4.開關(guān)頻率為1 MHz的1.2 V穩(wěn)壓器的原理圖。
圖5.GTEM中的輻射EMI通過(guò)CISPR 22 Class B限值測(cè)試。
結(jié)論
智能電子、自動(dòng)化和傳感器在工業(yè)和汽車環(huán)境中的普及，提高了對(duì)電源數(shù)量和性能的要求。特別是低EMI，已成為更加重要的關(guān)鍵電源參數(shù)考量因素，除此以外，還包括小解決方案尺寸、高效率、熱性能、穩(wěn)健性和易用性等常規(guī)要求。
LTC7151S使用ADI公司Power by Linear部的Silent Switcher 2技術(shù)，尺寸緊湊，可以滿足嚴(yán)格的EMI需求。LTC7151S支持谷電流模式控制和高頻率操作，可以動(dòng)態(tài)變更TON和TOFF時(shí)間，幾乎立即主動(dòng)支持負(fù)載瞬變，因此可以使用更小的輸出電容和快速響應(yīng)。具備集成MOSFET和熱管理性能，可以穩(wěn)定可靠地從高達(dá)20 V的輸入范圍持續(xù)提供高達(dá)15 A電流。
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