作者：Ying Cheng and Zhongming Ye

汽車(chē)、電信、數(shù)據(jù)通信和工業(yè)系統(tǒng)繼續(xù)采用越來(lái)越多的高級(jí) SoC（片上系統(tǒng)）、FPGA 和微處理器解決方案。每一代 SoC 和 FPGA 都會(huì)隨著高功耗組件的添加和數(shù)據(jù)處理速度的提高而擴(kuò)展功耗預(yù)算，以支持電信、音頻或視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)流。這些需求只能通過(guò)堅(jiān)固耐用、易于使用、高效率、高功率密度和低電磁輻射的低壓電源來(lái)滿足。

SoC 和 FPGA 需要多種低壓電源，包括 DDR 為 1.1 V、內(nèi)核為 0.8 V 和 I/O 設(shè)備為 3.3 V/1.8 V。從寬范圍的汽車(chē)電池或工業(yè)總線電壓提供低于1 V的電壓通常需要兩個(gè)階段：一個(gè)中間調(diào)節(jié)級(jí)到12 V或5 V，另一個(gè)到低電壓。每個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換都必須高效并通過(guò)EMI標(biāo)準(zhǔn)，以使整個(gè)電源系統(tǒng)能夠滿足苛刻的汽車(chē)、電信、數(shù)據(jù)通信和工業(yè)規(guī)范。

使用傳統(tǒng)的降壓穩(wěn)壓器可能很難滿足尺寸、效率和EMI設(shè)計(jì)目標(biāo)。低于1 V降壓穩(wěn)壓器傳統(tǒng)上依賴于體積龐大且EMI噪聲大的PWM控制器和MOSFET。汽車(chē)和工業(yè)系統(tǒng)的需求意味著設(shè)備必須讓位于更緊湊、具有更高電流能力、更高效率以及更重要的是卓越 EMI 性能的產(chǎn)品。線性功率?LTC7150S 和 LT8642S 系列中的單片式靜音開(kāi)關(guān)器 2 降壓型穩(wěn)壓器專為滿足具有高可靠性和穩(wěn)健性的高級(jí) SoC 電源需求而設(shè)計(jì)，同時(shí)滿足 EMI、尺寸和熱約束。

靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 2 架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)出色的 EMI 性能

使用傳統(tǒng)的DC-DC控制器可能難以滿足已發(fā)布的EMI標(biāo)準(zhǔn)，因此如果可能的話，EMI通常會(huì)預(yù)先解決。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)后期出現(xiàn)的EMI問(wèn)題可能會(huì)在故障排除和重新設(shè)計(jì)方面花費(fèi)大量金錢(qián)和時(shí)間。項(xiàng)目延誤、市場(chǎng)損失和商業(yè)信譽(yù)受損的風(fēng)險(xiǎn)太大，不能聽(tīng)之任之。為了確保在整個(gè)電源設(shè)計(jì)過(guò)程中符合EMI標(biāo)準(zhǔn)，EMI抑制通常被優(yōu)先考慮，有時(shí)甚至過(guò)度設(shè)計(jì)，而犧牲了其他理想的特性，即解決方案尺寸、總效率、可靠性和簡(jiǎn)單性。

傳統(tǒng)方法通過(guò)減慢開(kāi)關(guān)邊沿和/或降低開(kāi)關(guān)頻率來(lái)控制EMI。例如，可以添加?xùn)艠O電阻或緩沖器，以減慢開(kāi)關(guān)邊沿的導(dǎo)通或關(guān)斷，并降低開(kāi)關(guān)頻率以降低EMI。然而，這些策略需要權(quán)衡取舍，包括增加最小導(dǎo)通時(shí)間、限制電壓轉(zhuǎn)換比和更大的解決方案尺寸。替代緩解技術(shù)（如笨重的EMI濾波器或金屬屏蔽）大大增加了電路板空間成本，增加了元件數(shù)量和更高的裝配復(fù)雜性，同時(shí)使熱管理和測(cè)試進(jìn)一步復(fù)雜化。這些策略都不能滿足要求苛刻的SoC功率預(yù)算，即緊湊的尺寸、高效率和低EMI。

LT8642S是一款18 V/10 A降壓?jiǎn)涡酒o音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器2穩(wěn)壓器，采用4 mm×4 mm LQFN封裝。圖1顯示了12 V至1.2 V/10 A LT8642S解決方案及其超低EMI結(jié)果。LT8642S僅采用一個(gè)鐵氧體磁珠和輸入電容器作為輸入EMI濾波器，能夠以充足的裕量滿足嚴(yán)格的CISPR 25 5 Class 5輻射EMI規(guī)范（汽車(chē)行業(yè)廣泛采用）。另一個(gè)流行的EMI規(guī)范是消費(fèi)電子產(chǎn)品制造商經(jīng)常使用的CISPR 32。LT8642S即使沒(méi)有輸入EMI濾波器，也能輕松滿足CISPR 32 B類輻射EMI規(guī)范。

圖1.采用LT8642S的超低EMI 1.2 V/10 A應(yīng)用。

LTC7150S是同類產(chǎn)品中的首款20 A、高效率降壓型穩(wěn)壓器，采用靜音開(kāi)關(guān)2技術(shù)，可最大限度降低電磁發(fā)射，從而大大簡(jiǎn)化了EMI濾波器的設(shè)計(jì)和布局，使其成為噪聲敏感型環(huán)境的理想選擇。ADI公司專有的靜音開(kāi)關(guān)2架構(gòu)具有出色的EMI性能，同時(shí)最大限度地降低了單芯片穩(wěn)壓器的交流開(kāi)關(guān)損耗。IC中包括熱回路電容器。這與集成MOSFET相結(jié)合，可顯著減小噪聲天線尺寸并最大限度地降低EMI。

在非?？焖俚拈_(kāi)關(guān)邊沿上，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴最小化，從而降低了高頻噪聲以及存儲(chǔ)在熱回路中的相關(guān)能量。此外，熱回路一分為二，對(duì)稱布局以實(shí)現(xiàn)EMI自消除。這為噪聲敏感的汽車(chē)環(huán)境提供了安靜的電源，其中強(qiáng)大的SoC用于高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）或自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。這也滿足了電信、運(yùn)輸和工業(yè)系統(tǒng)的要求，在這些系統(tǒng)中，需要高效率、低噪聲的電源來(lái)為下一代 SoC、CPU 和微處理器供電。

LTC7150S通過(guò)CISPR 25輻射EMI峰值限值，在前面安裝了一個(gè)簡(jiǎn)單的EMI濾波器，如圖2中的原理圖所示，其中安裝了一個(gè)簡(jiǎn)單的帶有鐵氧體磁珠的濾波器。圖3顯示了輻射EMI CISPR 25測(cè)試結(jié)果，它通過(guò)了CISPR 25 5類峰值限制。

圖2.LTC7150S 內(nèi)置 EMI 濾波器。

圖3.LTC7150S 輻射 EMI 性能。

并聯(lián)多個(gè)轉(zhuǎn)換器以擴(kuò)展輸出電流

自動(dòng)駕駛和自動(dòng)泊車(chē)等高級(jí)功能需要更強(qiáng)大的 SoC 來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流視覺(jué)或人工智能。同樣，電信和大數(shù)據(jù)安裝中的計(jì)算和服務(wù)器系統(tǒng)包括高性能SoC解決方案，這些解決方案需要比以往更多的功率。對(duì)于需要超過(guò)20 A電流能力的處理器系統(tǒng)，多個(gè)LTC7150S可以并聯(lián)并異相運(yùn)行。

LTC7150S 具有一種同步功能，該功能可實(shí)現(xiàn)與一個(gè)外部時(shí)鐘的同步，而內(nèi)部 PLL （鎖相環(huán)） 則允許 LTC7150S 異相操作以實(shí)現(xiàn)多通道、多相操作以減小紋波。CLKOUT 信號(hào)可連接至后續(xù) LTC7150S 的 MODE/SYNC 引腳，以對(duì)齊整個(gè)系統(tǒng)的頻率和相位。多相操作在PHMODE引腳上實(shí)現(xiàn)。將PHMODE引腳連接到INTV抄送、SGND或浮動(dòng)引腳在施加在MODE/SYNC引腳上的時(shí)鐘與CLKOUT之間產(chǎn)生相位差;差異分別為 180°、120° 或 90°，分別對(duì)應(yīng)于 2 相、3 相或 4 相操作。通過(guò)將每個(gè) LTC7150S 的 PHMODE 引腳設(shè)置為不同的電壓電平，總共 12 個(gè)通道可以彼此異相運(yùn)行。

圖4顯示了兩個(gè)并聯(lián)的轉(zhuǎn)換器，在1.2 V時(shí)提供40 A輸出電流。通過(guò)將 U1 的 CLKOUT 連接到 U2 的模式/同步，來(lái)自主單元的時(shí)鐘與從設(shè)備同步。主PHMODE引腳接地，從PHMODE引腳保持浮動(dòng)狀態(tài)。這導(dǎo)致兩個(gè)通道之間的相位差為 180°，從而降低了輸入電流紋波。為了確保在穩(wěn)態(tài)和啟動(dòng)期間更好的均流，ITH、FB 和 TRACK/SS 連接在一起。本地 RT電阻是必需的，不應(yīng)連接在一起。建議使用開(kāi)爾文連接以獲得準(zhǔn)確的反饋和抗噪性。在底層接地引腳附近放置盡可能多的電源過(guò)孔，以提高熱性能。輸入熱回路的陶瓷帽應(yīng)靠近 V 放置在引 腳。

圖4.并聯(lián)兩個(gè)LTC7150S穩(wěn)壓器，將輸出電流能力擴(kuò)展到40 A。

圖5.圖4中40 A電路的效率。

電感電流在啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)期間保持平衡，如圖6所示。當(dāng)輸入為3.3 V時(shí)，32 A時(shí)的效率可高達(dá)89%。

圖6.并聯(lián)解決方案的電感電流波形。

高開(kāi)關(guān)頻率提供高效率的緊湊型解決方案

靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 2 架構(gòu)不僅可在 LT8642S 應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)出色的 EMI 性能，還能產(chǎn)生快速、干凈的開(kāi)關(guān)邊沿，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。最小的開(kāi)關(guān)損耗以及僅 20 ns 的最小導(dǎo)通時(shí)間，可在高開(kāi)關(guān)頻率和小解決方案尺寸下實(shí)現(xiàn)高效率。例如，12 V至1.2 V LT8642S解決方案可在2 MHz開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)88%以上的效率。此外，由于其高速峰值電流模式架構(gòu)，LT8642S 可在過(guò)載或短路條件下采用飽和電感器安全地工作。因此，可以根據(jù)輸出負(fù)載要求選擇電感器。

緊湊型電源解決方案通常與熱性能相沖突。LT8642S能夠通過(guò)高效率和增強(qiáng)型熱封裝克服這種典型的權(quán)衡。圖7顯示了5 V/10 A LT8642S解決方案，開(kāi)關(guān)頻率為1 MHz。對(duì)于12 V輸入，LT8642S在提供50 W功率時(shí)以小于47°C的外殼溫升工作，峰值效率達(dá)到97%以上。

圖7.采用LT8642S的50 W （5 V/10 A）解決方案。

圖8所示為3 MHz LT8642S解決方案。高頻操作通過(guò)使用一個(gè)小電感器和一個(gè)低值輸出電容來(lái)最大限度地減小解決方案尺寸。

圖8.采用LT8642S的3.3 V、3 MHz應(yīng)用。

LT8642S 還具有使能控制、電源良好指示器和軟啟動(dòng)功能。這些功能對(duì)于 SoC 和 FPGA 電源所需的系統(tǒng)電源排序至關(guān)重要。

ADI公司的線性電源產(chǎn)品組合提供一系列降壓穩(wěn)壓器，可滿足高級(jí)SoC、FPGA和微處理器的各種功率預(yù)算。表 1 列出了一些設(shè)備及其當(dāng)前功能。

結(jié)論

工業(yè)和汽車(chē)環(huán)境中對(duì)更多智能、自動(dòng)化和傳感的需求導(dǎo)致需要越來(lái)越高性能電源的電子系統(tǒng)激增。低 EMI 已從事后才想到的重中之重，而解決方案尺寸、高效率、熱熟練度、穩(wěn)健性和易用性仍然很重要。

ADI單芯片穩(wěn)壓器在這些領(lǐng)域表現(xiàn)出色，可滿足汽車(chē)、電信、數(shù)據(jù)中心和工業(yè)客戶的要求。特別是，包括LTC7150S和LT8642S在內(nèi)的高性能單片式穩(wěn)壓器系列通過(guò)采用專有的靜音開(kāi)關(guān)技術(shù)，以緊湊的尺寸滿足嚴(yán)格的EMI標(biāo)準(zhǔn)。集成 MOSFET 和集成熱管理功能可在高達(dá) 20 V 的輸入范圍內(nèi)穩(wěn)健可靠地提供從幾安培到超過(guò) 20 A 的電流。該器件均包括使能控制、電源良好指示器和軟啟動(dòng)功能，因此只需幾個(gè)組件即可完成電源設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷