【導(dǎo)讀】現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、片上系統(tǒng)(SoC)和微處理器等數(shù)據(jù)處理IC不斷擴大在電信、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)、汽車、航空電子和國防系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用。這些系統(tǒng)的一個共同點是處理能力不斷提高，導(dǎo)致原始功率需求相應(yīng)增加。設(shè)計人員很清楚高功率處理器的熱管理問題，但可能不會考慮電源的熱管理問題。與晶體管封裝處理器本身類似，當?shù)蛢?nèi)核電壓需要高電流時，熱問題在最差情況下不可避免——這是所有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的總體電源趨勢。
DC-DC轉(zhuǎn)換器需求概述：EMI、轉(zhuǎn)換比率、大小和散熱考慮
通常，F(xiàn)PGA/SoC/微處理器需要多個電源軌，包括用于外圍和輔助電源的5 V、3.3 V和1.8 V，用于DDR4和LPDDR4的1.2 V和1.1 V，以及用于處理核心的0.8 V。產(chǎn)生這些電源軌的DC-DC轉(zhuǎn)換器通常從電池或中間直流母線獲取12 V或5 V輸入電壓。為了將這些電源直流電壓降至處理器所需的更低的電壓，自然會選用開關(guān)模式降壓轉(zhuǎn)換器，因為它們在大降壓比時效率高。開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器有數(shù)百種類型，但很多都可分為控制器（外部MOSFET）或單片穩(wěn)壓器（內(nèi)部MOSFET）。我們先來看看前者。
傳統(tǒng)控制器解決方案可能不符合要求
傳統(tǒng)開關(guān)模式控制器IC驅(qū)動外部MOSFET，具有外部反饋控制環(huán)路補償元件。由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換器效率很高且功能多樣，同時提供高功率，但所需的分立元件的數(shù)量使得設(shè)計相對復(fù)雜且難以優(yōu)化。外部開關(guān)也會限制開關(guān)速度，在空間寶貴的情況下這是一個問題，比如在汽車或航空電子設(shè)備環(huán)境中，因為較低的開關(guān)頻率會導(dǎo)致整個元件體積更大。
另一方面，單片穩(wěn)壓器則可以極大地簡化設(shè)計。本文深入討論整體解決方案，首先介紹"減小尺寸，同時改善EMI"部分。
不要忽視最小導(dǎo)通和關(guān)斷時間
另一個重要考慮因素是轉(zhuǎn)換器的最小導(dǎo)通和關(guān)斷時間，或其在足以從輸入電壓降至輸出電壓的占空比下運行的能力。降壓比越大，所需最小導(dǎo)通時間越低（也取決于頻率）。同樣地，最小關(guān)斷時間對應(yīng)于壓差：在輸出電壓不再受支持之前輸入電壓能降到多低。雖然增加開關(guān)頻率的好處是整體解決方案更小，但最小導(dǎo)通和關(guān)斷時間會設(shè)置工作頻率的上限。總之，這些值越低，在設(shè)計小尺寸和高功率密度時就有越多的余地。
注意真實的EMI性能
其他噪聲敏感器件要安全運行，還需要具備出色的EMI性能。在工業(yè)、電信或汽車應(yīng)用中，電源設(shè)計的一個重點是較大限度地減少EMI。為了使復(fù)雜的電子系統(tǒng)能夠協(xié)同工作，不因EMI重疊而產(chǎn)生問題，采用了嚴格的EMI標準，如CISPR 25和CISPR 32輻射EMI規(guī)范。為了滿足這些要求，傳統(tǒng)電源方法通過減慢開關(guān)邊緣和降低開關(guān)頻率來減少EMI——前者降低了效率，提高了散熱，而后者降低了功率密度。
降低的開關(guān)頻率還可能違背CISPR 25標準中的530 kHz至1.8 MHz AM頻段EMI要求。可以采用機械減緩技術(shù)來降低噪聲水平，包括復(fù)雜、大尺寸的EMI濾波器或金屬屏蔽，但這些技術(shù)不但增加了大量成本，而且使電路板空間、元件數(shù)量和裝配復(fù)雜性增加，并進一步使熱管理和測試復(fù)雜化。這些策略都不能滿足小尺寸、高效率和低EMI的要求。
減小尺寸，同時改善EMI、熱性能和效率
很明顯，電源系統(tǒng)設(shè)計已變得十分復(fù)雜，這給系統(tǒng)設(shè)計人員帶來了沉重的負擔。為了減輕這種負擔，一個好的策略是尋找具有同時解決許多問題功能的電源IC解決方案：降低電路板的復(fù)雜性，高效率地工作，較大限度地減少散熱，并產(chǎn)生低EMI。可支持多個輸出通道的功率IC可進一步簡化設(shè)計和生產(chǎn)。
開關(guān)集成在封裝中的單片電源IC可實現(xiàn)其中多個目標。例如，圖1所示為完整的雙路輸出解決方案板，說明了單片穩(wěn)壓器的緊湊簡單。此處使用的IC中的集成MOSFET和內(nèi)置補償電路只需要幾個外部元件。此解決方案的總核心尺寸僅為22 mm × 18 mm，部分通過相對較高的2 MHz開關(guān)頻率實現(xiàn)。
圖1. 具有出色EMI性能的緊湊型、高開關(guān)頻率、高效率解決方案。
此電路板的原理圖如圖2所示。在此解決方案中，轉(zhuǎn)換器使用 LT8652S的兩個通道，在2 MHz的頻率下運行，并在8.5 A下產(chǎn)生3.3 V電壓，在8.5 A下產(chǎn)生1.2 V電壓。可輕松修改此電路以產(chǎn)生包括3.3 V和1.8 V、3.3 V和1 V等在內(nèi)的輸出組合。或者，為了利用LT8652S的寬輸入范圍，LT8652S可用作二級轉(zhuǎn)換器，再使用12 V、5 V或3.3 V前置穩(wěn)壓器，以提高總效率和功率密度性能。由于高效率和出色的熱管理，LT8652S可同時為每個通道提供8.5 A，17 A用于并行輸出，高達12 A用于單通道操作。借助3 V至18 V輸入范圍，該器件可覆蓋FPGA/SoC/微處理器應(yīng)用的大多數(shù)輸入電壓組合。
圖2. 使用LT8652S的兩個通道的雙路輸出、2 MHz、3.3 V/8.5 A和1.2 V/8.5 A應(yīng)用。
雙路輸出、單片穩(wěn)壓器的性能
圖3顯示了圖1所示解決方案的測量效率。對于單通道操作，使用該解決方案，在輸入電壓為12 V時，3.3 V電源軌的峰值效率達到94%，1.2 V電源軌的峰值效率達到87%。對于雙通道操作，LT8652S在12 V輸入電壓時每個通道達到90%的峰值效率，在8.5 A負載電流時每個通道達到86%的全負載效率。
由于關(guān)斷時間跳過功能，LT8652S的延長占空比接近100%，使用最低輸入電壓范圍調(diào)節(jié)輸出電壓。20 ns典型最小導(dǎo)通時間甚至使其可在高開關(guān)頻率下操作穩(wěn)壓器，直接從12 V電池或直流母線生成小于1 V的輸出電壓——最終減少整體解決方案大小和成本，同時避免了AM頻段。具有集成旁路電容的Silent Switcher? 2技術(shù)可防止可能出現(xiàn)的布局或生產(chǎn)問題，從而避免影響出色的臺式EMI和效率性能。
圖3. 具有2 MHz開關(guān)頻率的單路和雙路輸出效率。
高電流負載的差分電壓檢測
對于高電流應(yīng)用，每一英寸PCB線路都會導(dǎo)致大幅壓降。對于現(xiàn)代核心電路中需要極窄電壓范圍的典型低電壓、高電流負載，壓降會導(dǎo)致嚴重的問題。LT8652S提供差分輸出電壓檢測功能，允許客戶創(chuàng)建開爾文連接，以實現(xiàn)輸出電壓檢測和直接從輸出電容進行反饋。它可以校正最高±300 mV的輸出接地線路電位。圖4顯示LT8652S利用差分檢測功能對兩個通道進行負載調(diào)整。
圖4. LT8652S使用差分檢測功能進行負載調(diào)整。
監(jiān)控輸出電流
在一些高電流應(yīng)用中，必須收集輸出電流信息來進行遙測和診斷。此外，根據(jù)工作溫度限制最大輸出電流或降低輸出電流可防止損壞負載。因此，需要進行恒壓、恒流操作以精確調(diào)節(jié)輸出電流。LT8652S使用IMON引腳監(jiān)控并減少負載的有效調(diào)節(jié)電流。
當IMON對負載設(shè)置調(diào)節(jié)電流時，可根據(jù)IMON和GND之間的電阻來配置IMON以減小此調(diào)節(jié)電流。負載/電路板溫度降額可使用正溫度系數(shù)熱敏電阻來設(shè)置。當電路板/負載溫度上升時，IMON電壓增加。為了減小調(diào)節(jié)電流，將IMON電壓與內(nèi)部1 V基準電壓進行比較以調(diào)節(jié)占空比。IMON電壓可低于1 V，但這樣就不會產(chǎn)生影響。圖5顯示激活I(lǐng)MON電流環(huán)路前后的輸出電壓和負載電流曲線。
圖5. LT8652S輸出電壓和電流曲線。
低電磁輻射(EMI)
為了使復(fù)雜的電子系統(tǒng)能夠工作，對單個元件解決方案應(yīng)用了嚴格的EMI標準。為了在多個行業(yè)中保持一致性，廣泛采用了各種標準，如CISPR 32工業(yè)標準和CISPR 25汽車標準。為了獲得出色的EMI性能，LT8652S在EMI消除設(shè)計中采用了較領(lǐng)先的Silent Switcher 2技術(shù)，并使用集成環(huán)路電容以盡量減少有噪天線尺寸。加上集成MOSFET和小尺寸，LT8652S解決方案可提供出色的EMI性能。圖6顯示圖1所示LT8652S標準演示板的EMI測試結(jié)果。圖6a顯示峰值檢測器的CISPR 25輻射EMI結(jié)果，圖6b顯示CISPR 32輻射EMI結(jié)果。
圖6. 圖1應(yīng)用電路的輻射EMI測試結(jié)果。VIN = 14 V，VOUT1 = 3.3 V/8.5 A，VOUT2 = 1.2 V/8.5 A。
可獲得更大電流和更好熱性能的并聯(lián)操作
隨著數(shù)據(jù)處理速度的飆升和數(shù)據(jù)量的倍增，為滿足這些需求，F(xiàn)PGA和SoC的能力也隨之擴展。電源需要功率，且電源應(yīng)保持功率密度和性能。然而，不能為了增加功率密度而失去簡單性和穩(wěn)健性的優(yōu)點。對于要求超過17 A電流能力的處理器系統(tǒng)，可將多個LT8652S并聯(lián)且錯相運行。
圖7顯示兩個并聯(lián)的轉(zhuǎn)換器可在1 V時提供34 A輸出電流。通過將U1的CLKOUT連接至U2的SYNC，使主單元時鐘與從單元同步。由此產(chǎn)生的每通道90°相位差減少了輸入電流紋波，并將熱負載擴散到電路板上。
圖7. 適用于SoC應(yīng)用的4相、1 V/34 A、2 MHz解決方案。
為確保在穩(wěn)定狀態(tài)和啟動期間更好的均流，將VC、FB、SNSGND和SS連接在一起。建議使用開爾文連接以獲得精確的反饋和抗噪性能。在接地引腳附近將盡可能多的熱通孔放置到底層，以改善熱性能。輸入熱回路的陶瓷電容應(yīng)靠近VIN引腳放置。
由于駕駛條件可能發(fā)生劇烈、頻繁和快速變化，SoC必須及時適應(yīng)快速變化的負載，因此，汽車SoC施加的負載瞬態(tài)要求可能很難滿足。外圍電源的負載電流壓擺率達100 A/μs，核心電源的壓擺率甚至更高，這是很常見的。然而，在快速負載電流壓擺率下，必須將電源輸出的電壓瞬變最小化。>2 MHz的快速開關(guān)頻率可快速恢復(fù)瞬變，且輸出電壓偏移最小。圖7顯示利用快速開關(guān)頻率和穩(wěn)定動態(tài)環(huán)路響應(yīng)的正確的環(huán)路補償元件值。在電路板布局中，較大限度地減少電路輸出電容到負載的線路電感也是至關(guān)重要的。
圖8. 圖7電路的負載瞬態(tài)響應(yīng)。
結(jié)論
FPGA、SoC和微處理器的處理能力不斷提高，原始功率需求也相應(yīng)增加。隨著所需功率電軌數(shù)量及其承載能力的增加，必須考慮設(shè)計小型電源系統(tǒng)，并加快系統(tǒng)性能。LT8652S是電流模式、8.5 A、18 V同步Silent Switcher 2降壓穩(wěn)壓器，輸入電壓范圍為3 V至18 V，適用于從單節(jié)鋰離子電池到汽車輸入的輸入源應(yīng)用。
LT8652S的工作頻率范圍為300 kHz至3 MHz，使設(shè)計人員可盡量減少外部元件尺寸并避免關(guān)鍵頻段，如調(diào)頻廣播。Silent Switcher 2技術(shù)可保證出色的EMI性能，既不會犧牲開關(guān)頻率和功率密度，也不會犧牲開關(guān)速度和效率。Silent Switcher 2技術(shù)還在封裝中集成了所有必要的旁路電容，可較大限度地減少布局或生產(chǎn)可能引起的意外EMI，從而簡化了設(shè)計和生產(chǎn)。
Burst Mode?（突發(fā)工作模式）操作將靜態(tài)電流減少到只有16 μA，同時使輸出電壓紋波保持在低值。4 mm × 7 mm LQFN封裝和極少數(shù)外部元件可確保外形緊湊，同時盡量減少解決方案成本。LT8652S的24 mΩ/8 mΩ開關(guān)提供超過90%的效率，而可編程欠壓閉鎖(UVLO)可優(yōu)化系統(tǒng)性能。輸出電壓的遠程差分檢測在整個負載范圍內(nèi)都保持高精度，同時不受線路阻抗的影響，從而較大限度地降低了外部變化造成負載損壞的可能性。其他功能包括內(nèi)部/外部補償、軟啟動、頻率折返和熱關(guān)斷保護。
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