【導讀】在過(guò)去幾年中，多層陶瓷電容器（MLCC）的價(jià)格急劇上漲，跟蹤了汽車(chē)，工業(yè)，數據中心和電信行業(yè)中使用的電源數量的擴展。陶瓷電容器用于輸出端的電源中，以降低輸出紋波，并控制由于高壓擺率負載瞬變引起的輸出電壓過(guò)沖和欠沖。輸入端需要陶瓷電容器進(jìn)行去耦和濾除EMI，因為它們在高頻下具有低ESR和低ESL。
在過(guò)去幾年中，多層陶瓷電容器（MLCC）的價(jià)格急劇上漲，跟蹤了汽車(chē)，工業(yè)，數據中心和電信行業(yè)中使用的電源數量的擴展。陶瓷電容器用于輸出端的電源中，以降低輸出紋波，并控制由于高壓擺率負載瞬變引起的輸出電壓過(guò)沖和欠沖。輸入端需要陶瓷電容器進(jìn)行去耦和濾除EMI，因為它們在高頻下具有低ESR和低ESL。
為了提高工業(yè)和汽車(chē)系統的性能，需要將數據處理速度提高幾個(gè)數量級，越來(lái)越多的高功耗設備被擠入微處理器、CPU、片上系統 （SoC）、ASIC 和 FPGA。這些復雜器件類(lèi)型中的每一種都需要多個(gè)穩壓軌：通常，內核為 0.8 V，DDR3 和 LPDDR4 分別為 1.2 V 和 1.1 V，外設和輔助組件分別為 5 V、3.3 V 和 1.8 V。降壓轉換器廣泛用于從電池或直流母線(xiàn)產(chǎn)生穩壓電源。
例如，高級駕駛輔助系統（ADAS）在汽車(chē)中的普及大大提高了陶瓷電容器的使用率。隨著(zhù)5G技術(shù)在電信領(lǐng)域的興起，需要高性能電源，陶瓷電容器的使用也將顯著(zhù)增加。內核電源電流已從幾安培增加到數十安培，對電源紋波、負載瞬態(tài)過(guò)沖/欠沖和電磁干擾 （EMI） 的控制非常嚴格，這些功能需要額外的電容。
在許多情況下，傳統的電源方法無(wú)法跟上變化的步伐。整體解決方案尺寸太大，效率太低，電路設計太復雜，物料清單（BOM）成本太高。例如，為了滿(mǎn)足快速負載瞬變的嚴格電壓調節規范，輸出端需要大量陶瓷電容器來(lái)存儲和源出負載瞬變產(chǎn)生的大量電流。輸出陶瓷電容器的總成本可以達到功率IC的幾倍。
較高的電源工作（開(kāi)關(guān)）頻率可以降低瞬變對輸出電壓的影響，降低電容要求和整體解決方案尺寸，但較高的開(kāi)關(guān)頻率通常會(huì )導致開(kāi)關(guān)損耗增加，從而降低整體效率。是否有可能避免這種權衡，并在高級微處理器、CPU、SoC、ASIC 和 FPGA 所需的非常高電流水平下滿(mǎn)足瞬態(tài)要求？為了考慮這個(gè)問(wèn)題，讓我們看一下SoC的20 V輸入至1 V/15 A輸出。
15 A 從 20 V 輸入
圖1顯示了適用于SoC和CPU電源應用的1 MHz、1.0 V、15 A架構，其輸入典型值為12 V或5 V，可在3.1 V至20 V范圍內變化。只需輸入和輸出電容器、一個(gè)電感器以及幾個(gè)小電阻器和電容器即可完成電源?？梢暂p松修改該電路，以產(chǎn)生低至0.6 V的其他輸出電壓，例如1.8 V、1.1 V和0.85 V。輸出軌的負回路（V– 引腳）可實(shí)現對靠近負載的輸出電壓進(jìn)行遠程反饋檢測，從而最大限度地減少由電路板走線(xiàn)壓降引起的反饋誤差。
圖1所示的方法使用具有高性能集成MOSFET的穩壓器。該特定穩壓器是一款LTC7151S單片式降壓穩壓器，它采用靜音開(kāi)關(guān) 2 架構來(lái)簡(jiǎn)化 EMI 濾波器設計。采用 28 引腳、耐熱性能增強型 4 mm × 5 mm × 0.74 mm LQFN 封裝。通過(guò)谷值電流模式進(jìn)行控制，降低了輸出電容要求。內置保護功能，以最大限度地減少外部保護組件的數量。
頂部開(kāi)關(guān)的最短導通時(shí)間僅為20 ns（典型值），能夠以非常高的頻率直接降壓至內核電壓。熱管理功能可在輸入電壓高達 20 V 的情況下實(shí)現高達 15 A 的可靠和連續傳輸電流，無(wú)需散熱器或氣流，使其成為電信、工業(yè)、運輸和汽車(chē)應用中 SOC、FPGA、DSP、GPU 和微處理器的熱門(mén)選擇。該穩壓器具有寬輸入范圍，可用作第一級中間轉換器，在5 V或3.3 V時(shí)支持高達15 A的電流，支持多個(gè)下游負載點(diǎn)或LDO穩壓器。
圖1.適用于 SoC 和 CPU 的 1 MHz、15 A 降壓穩壓器的原理圖和效率。
以最小的輸出電容滿(mǎn)足嚴格的瞬態(tài)規格
通常，輸出電容會(huì )進(jìn)行縮放，以滿(mǎn)足環(huán)路穩定性和負載瞬態(tài)響應的要求。對于為處理器內核電壓提供服務(wù)的電源，這些規格尤其嚴格，在這些電源中，負載瞬態(tài)過(guò)沖和下沖必須得到很好的控制。例如，在負載階躍期間，輸出電容必須步進(jìn)，瞬時(shí)提供電流以支持負載，直到反饋環(huán)路使開(kāi)關(guān)電流足以接管。通常，通過(guò)在輸出側安裝大量多層陶瓷電容器來(lái)抑制過(guò)沖和下沖，從而滿(mǎn)足快速負載瞬變期間的電荷存儲要求。
此外，將開(kāi)關(guān)頻率推高可以改善快速環(huán)路響應，但代價(jià)是開(kāi)關(guān)損耗增加。
還有第三種選擇：具有谷值電流模式控制的穩壓器可以動(dòng)態(tài)改變穩壓器的開(kāi)關(guān)TON和TOOFF時(shí)間，幾乎可以瞬間滿(mǎn)足負載瞬變的需求。這樣可以顯著(zhù)降低輸出電容，以滿(mǎn)足快速響應時(shí)間。圖2顯示了LTC7151S靜音開(kāi)關(guān)穩壓器以8 A/μs壓擺率立即響應4 A至12 A負載階躍的結果。LTC7151S的受控導通時(shí)間（COT）谷值電流模式架構允許開(kāi)關(guān)節點(diǎn)脈沖在4 A至12 A負載階躍轉換期間壓縮。上升沿開(kāi)始后約1 μs，輸出電壓開(kāi)始恢復，過(guò)沖和下沖峰峰值限制為46 mV。圖2a所示的三個(gè)100 μF陶瓷電容足以滿(mǎn)足典型的瞬態(tài)規格，如圖2b所示。圖2c顯示了負載階躍期間的典型開(kāi)關(guān)波形。
圖2.（a） 此 5 V 輸入至 1 V 輸出應用以 2 MHz 運行，輸出端需要最小電容，以便快速、干凈地響應 （b） 負載階躍以及 （c） 負載階躍期間的開(kāi)關(guān)波形。
3 MHz 時(shí)的高效率降壓適合狹小空間
使用高集成度穩壓器可使 MOSFET、驅動(dòng)器和熱回路電容器保持緊密連接。這減少了寄生效應，并允許以非常窄的死區時(shí)間快速打開(kāi)/關(guān)閉開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)反并聯(lián)二極管的導通損耗大大降低。集成的熱回路去耦電容和內置補償電路也消除了設計復雜性，從而最大限度地減小了解決方案的總尺寸。
如前所述，頂部開(kāi)關(guān)的最小值為20 ns（典型值），允許在高頻下進(jìn)行非常低的占空比轉換，使設計人員能夠利用超高頻工作（如3 MHz）來(lái)減小電感、輸入電容和輸出電容的尺寸和值。極其緊湊的解決方案適用于空間有限的應用，例如汽車(chē)和醫療應用中的便攜式設備或儀器。使用 LTC7151S 時(shí)，不需要龐大的熱緩解組件，例如風(fēng)扇和散熱器，這得益于其高性能電源轉換，即使在非常高的頻率下也是如此。
圖3所示為5 V至1 V解決方案，工作在3 MHz開(kāi)關(guān)頻率。伊頓的小尺寸 100 nH 電感器與三個(gè) 100 μF/1210 陶瓷電容器相結合，為 FPGA 和微處理器應用提供了超薄的緊湊型解決方案。效率曲線(xiàn)如圖3b所示。室溫下滿(mǎn)載時(shí)溫升約15°C。
圖3.5 V 輸入至 1 V/15 A 的原理圖和效率，f西 南部= 3 兆赫。
提高電磁干擾性能
滿(mǎn)足已發(fā)布的EMI規范，例如CISPR 22/CISPR 32傳導和輻射EMI峰值限值，應用15 A可能意味著(zhù)許多迭代電路板旋轉，涉及解決方案尺寸、總效率、可靠性和復雜性的眾多權衡。傳統方法通過(guò)減慢開(kāi)關(guān)邊沿和/或降低開(kāi)關(guān)頻率來(lái)控制EMI。兩者都有不良影響，例如效率降低、最小開(kāi)關(guān)時(shí)間增加以及解決方案尺寸增大。暴力EMI抑制，如復雜而笨重的EMI濾波器或金屬屏蔽，大大增加了所需的電路板空間、元件和組裝成本，同時(shí)使熱管理和測試復雜化。
EMI可以通過(guò)多種方式降低，包括集成熱回路電容器，以最大限度地減少噪聲天線(xiàn)尺寸。LTC7151S 通過(guò)集成高性能 MOSFET 和驅動(dòng)器來(lái)保持低 EMI，從而使 IC 設計人員能夠生產(chǎn)出具有內置最小開(kāi)關(guān)節點(diǎn)振鈴的器件。結果是，即使開(kāi)關(guān)邊沿具有高壓擺率，存儲在熱回路中的相關(guān)能量也受到高度控制，從而實(shí)現出色的EMI性能，同時(shí)最大限度地降低高工作頻率下的交流開(kāi)關(guān)損耗。
LTC7151S 已在 EMI 測試室中進(jìn)行了測試，并通過(guò)了 CISPR 22 / CISPR 32 傳導和輻射 EMI 峰值限制，前面有一個(gè)簡(jiǎn)單的 EMI 濾波器。圖4顯示了1 MHz、1.2 V/15 A電路的原理圖，圖5顯示了千兆赫茲橫向電磁（GTEM）電池的輻射EMI CISPR 22測試結果。
圖4.開(kāi)關(guān)頻率為1 MHz的1.2 V穩壓器原理圖。
圖5.GTEM 中的輻射 EMI 超過(guò) CISPR 22 B 類(lèi)限制。
智能電子、自動(dòng)化和傳感器在工業(yè)和汽車(chē)環(huán)境中的激增推動(dòng)了電源所需的數量和性能要求。特別是低EMI，作為關(guān)鍵的電源參數考慮因素，以及對小解決方案尺寸、高效率、熱能力、魯棒性和易用性的通常要求，已經(jīng)越來(lái)越受到重視。借助集成穩壓器，開(kāi)發(fā)人員可以在非常緊湊的環(huán)境中滿(mǎn)足嚴格的EMI要求。通過(guò)谷值電流模式控制和高頻操作，穩壓器可以動(dòng)態(tài)改變TON和TOOFF時(shí)間，以近乎瞬時(shí)主動(dòng)支持負載瞬變，從而實(shí)現更小的輸出電容和快速響應。最后，集成的 MOSFET 和熱管理可在高達 20 V 的輸入范圍內連續穩定可靠地提供高達 15 A 的電流。
（作者：Zhongming Ye）
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