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[导读]目前随着智能电子、自动化和传感器在工业和汽车环境中的普及,提高了对电源数量和性能的要求。特别是低 EMI,已成为更加重要的关键电源参数考量因素,除此以外,还包括小解决方案尺寸、高效率、热性能、稳健性和易用性等常规要求。

目前随着智能电子、自动化和传感器在工业和汽车环境中的普及,提高了对电源数量和性能的要求。特别是低 EMI,已成为更加重要的关键电源参数考量因素,除此以外,还包括小解决方案尺寸、高效率、热性能、稳健性和易用性等常规要求。

多层陶瓷电容器(MLCC)的价格在过去几年急剧上涨,究其原因,与汽车、工业、数据中心和电信行业使用的电源数量增加有关。陶瓷电容被用在电源输出端,用于降低输出纹波,以及控制因为高压摆率加载瞬变而导致的输出电压过冲和欠冲。输入端则要求陶瓷电容进行解耦和过滤 EMI,这是因为在高频率下,它具备低 ESR 和低 ESL。

为了提高工业和汽车系统的性能,需要将数据处理速度提高几个等级,并且在微处理器、CPU、片上系统(SoC)、ASIC 和 FPGA 上集成更多耗电器件。这些复杂的器件类型需要多条稳压电轨:一般是内核 0.8 V,DDR3 和 LPDDR4 分别 1.2 V 和 1.1 V,外设和辅助组件分别为 5 V、3.3 V 和 1.8 V。降压(降压型)转换器被广泛用于调节电池或直流总线提供的电源。

例如,汽车中的高级驾驶员辅助系统(ADAS)产品组合大幅提升了陶瓷电容的使用率。随着电信行业开始采用 5G 技术,也需要用到高性能电源,这也会显著增加陶瓷电容的使用率。内核的电源电流从几安培增加到几十安培,且严格管控电源纹波、负载瞬变过冲 / 欠冲和电磁干扰(EMI),这些都需要额外的电容。

更高的电源工作(开关)频率可以降低瞬变对输出电压造成的影响,降低电容需求和整体解决方案的尺寸,但是更高的开关频率往往会导致开关损耗增加,降低整体效率。能否在先进的微处理器、CPU、SoC、ASIC 和 FPGA 需要极高的电流时,避免这种取舍并满足瞬变要求?

ADI 的单芯片 Silent Switcher® 2 降压稳压器系列帮助实现紧凑的解决方案尺寸、高电流能力和高效率,更重要的是,还具备出色的 EMI 性能。LTC7151S 单芯片降压稳压器使用 Silent Switcher 2 架构来简化 EMI 滤波器设计。谷电流模式可以降低输出电容需求。我们来看看适合 SoC 的 20 V 输入至 1 V、15 A 输出解决方案。

01

面向 SoC 的 20 V 输入、15 A 解决方案

图 1 所示为适合 SoC 和 CPU 功率应用的 1 MHz、1.0 V、15 A 解决方案,其中输入一般为 12 V 或 5 V,可能在 3.1 V 至 20 V 之间波动。只需要输入和输出电容、电感、几个小型电阻和电容即会组成完整的电源。此电路易于修改,以生成其他输出电压,例如 1.8 V、1.1 V 和 0.85 V,一直到 0.6 V。输出电轨的负回流(至 V–引脚)使得其能够对负载附近的输出电压实施远程反馈检测,最大限度降低板路径的压降导致的反馈误差。

图 1 所示的解决方案使用 LTC7151S Silent Switcher 2 稳压器,该稳压器采用高性能集成式 MOSFET,以及 28 引脚散热增强型 4 mm × 5 mm × 0.74 mm LQFN 封装。通过谷电流模式实施控制。内置保护功能,以最大限度减少外部保护组件的数量。

顶部开关的最短导通时间仅为 20 ns(典型值),可以在极高频率下直接降压至内核电压。热管理功能支持可靠、持续地提供高达 15 A 的电流、20 V 的输入电压,无散热或气流,因此非常适合电信、工业、交通运输和汽车应用领域的 SOC、FPGA、DSP、GPU 和微处理器使用。

LTC7151S 具备广泛的输入范围,可以用作一级中间转换器,支持多个下游负载点或 LDO 稳压器在 5 V 或 3.3 V 时达到最高 15 A。

图 1. 适用于 SoC 和 CPU 的 1 MHz、15 A 降压稳压器的原理图和效率

02

使用最小的输出电容,满足严格的瞬变规格

一般来说,会扩大输出电容,以满足回路稳定性和负载瞬态响应要求。对于为处理器提供内核电压的电源,这些要求尤其严格,必须出色地控制负载瞬变过冲和欠冲。例如,在负载阶跃期间,输出电容必须介入,立即提供电流来支持负载,直到反馈回路将开关电流增高到足以接管。一般来说,可以通过在输出端安装大量多层陶瓷电容来抑制过冲和欠冲,在快速负载瞬变期间满足电荷存储要求。

另外,提高开关频率也可以改善快速回路响应,但这会增大开关损耗。

还有第三种选项:支持谷电流模式控制的稳压器可以动态改变稳压器的开关 TON 和 TOFF 时间,以满足负载瞬变需求。如此,可以大幅降低输出电容,以满足快速瞬变时间。图 2 所示为 LTC7151S Silent Switcher 稳压器立时响应 4 A 至 12 A 负载阶跃和 8 A/µs 压摆率之后的结果。

LTC7151S 采用受控导通时间(COT)谷电流模式架构,支持开关节点在 4 A 至 12 A 负载阶跃瞬变期间压缩脉冲。在上升沿启动约 1 µs 之后,输出电压开始恢复,过冲和欠冲则限制在 46 mV 峰峰值。图 2a 中所示的 3 个 100 µF 陶瓷电容足以满足典型的瞬变规格要求,如图 2b 所示。图 2c 显示负载阶跃期间的典型开关波形。

图 2.(a) 这种 5 V 输入至 1 V 输出的应用在 2 MHz 下运行,需要最小的输出电容达到快速地响应(b)负载阶跃,以及负载阶跃期间的(c)开关波形。

03

3 MHz 高效降压型稳压器可用于狭小空间

LTC7151S 采用 4 mm × 5 mm × 0.74 mm 封装,其中集成了 MOSFET、驱动器和热回路电容。让这些组件彼此靠近可以降低寄生效应,以便快速开关这些开关,且保持很短的死区时间。开关的反并联二极管的导通损耗也大大降低。集成式热回路解耦电容和内置补偿电路也可以帮助降低设计复杂性,最大限度减小解决方案的总体尺寸。

如前所述,顶部开关的 20 ns(典型)最短间隔允许在高频率下实现极低的占空比转换,使得设计人员能够利用极高频率操作(例如 3 MHz)来降低电感、输入电容和输出电容的大小和值。极为紧凑的解决方案适用于空间有限的应用,例如汽车和医疗应用领域的便携式设备或仪器仪表。使用 LTC7151S 时,可以不使用大体积散热组件(例如风扇和散热器),这是因为 LTC7151S 支持高性能功率转换,即使在极高频率下也是如此。

图 3 显示在 3 MHz 开关频率下运行的 5 V 至 1 V 解决方案。伊顿提供的小尺寸 100 nH 电感和 3 个 100 µF/1210 陶瓷电容一起,提供适用于 FPGA 和微处理器应用的纤薄紧凑型解决方案。效率曲线如图 3b 所示。在室温下,全负载范围内温度上升约 15°C。

图 3.5 V 输入至 1 V/15 A,fSW = 3 MHz 下的稳压器原理图和效率。

04

Silent Switcher 2 帮助实现出色的 EMI 性能

使用 15 A 应用满足已经发布的 EMI 规范(例如 CISPR 22/CISPR 32 传导和辐射 EMI 峰值限值),可能意味着多个迭代板旋转,涉及在解决方案尺寸、总效率、可靠性和复杂性之间取舍。传统方法通过减慢开关边沿和 / 或降低开关频率来控制 EMI。这两种方法都会产生不良的影响,例如效率下降,最短接通和关断时间增加,以及增大解决方案尺寸。复杂、大尺寸的 EMI 滤波器或金属屏蔽等强力 EMI 消除方案在所需的电路板空间、组件和装配方面增加了大量成本,并使热管理和测试复杂化。

使用 15 A 应用满足已经发布的 EMI 规范(例如 CISPR 22/CISPR 32 传导和辐射 EMI 峰值限值),可能意味着多个迭代板旋转,涉及在解决方案尺寸、总效率、可靠性和复杂性之间取舍。传统方法通过减慢开关边沿和 / 或降低开关频率来控制 EMI。这两种方法都会产生不良的影响,例如效率下降,最短接通和关断时间增加,以及增大解决方案尺寸。复杂、大尺寸的 EMI 滤波器或金属屏蔽等强力 EMI 消除方案在所需的电路板空间、组件和装配方面增加了大量成本,并使热管理和测试复杂化。

LTC7151S 前端采用简单的 EMI 滤波器,在 EMI 测试室中接受测试,通过了 CISPR 22/ CISPR 32 导通和辐射 EMI 峰值限值认证。图 4 显示 1 MHz、1.2 V/15 A 电路的原理图,图 5 显示吉赫兹横电磁波(GTEM)电池的辐射 EMI CISPR 22 的测试结果。

图 4. 开关频率为 1 MHz 的 1.2 V 稳压器的原理图

图 5.GTEM 中的辐射 EMI 通过 CISPR 22 Class B 限值测试

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