【導讀】全球經(jīng)濟正敲打通信和云計算的時(shí)代大門(mén)，核心部件光模塊及CPU不斷升級，內部芯片也不斷更新迭代，這些都將對最前端技術(shù)產(chǎn)生影響。矽力杰推出新一代高頻大電流同步降壓轉換器SY72220，為通信及云計算設備提供更加優(yōu)化的電源管理解決方案。
* 10MHz 20A 電源方案面積
SY72220
10MHz, 20A同步降壓穩壓器
◆ 輸入電壓范圍：2.8V ~ 5.5V
◆ 輸出電流：20A
◆ I2C可調頻率：3MHz/5MHz/10MHz
◆ I2C可調輸出電壓：0.4V~1.5V
◆ 多次可編程存儲(MTP Memory)
◆ 集成 2m? NMOS 同步整流器
◆ 精確 ±1% 內部電壓基準
◆ 超快線(xiàn)路和負載瞬態(tài)響應
◆ 內置差分電路采樣輸出電壓
◆ 內置軟啟動(dòng)
◆ 平滑預偏置啟動(dòng)
◆ 具有遲滯功能的熱警示和熱關(guān)斷保護
◆ 集成UVLO/UVP/SCP/OCP
◆ 緊湊型封裝：QFN3×4-16
方案簡(jiǎn)介
* SY72220典型應用圖
SY72220是一款高頻同步降壓轉換器，最大提供20A的連續輸出電流。其輸出電壓從0.4V到1.5V在線(xiàn)可調。
SY72220可在2.8V到5.5V的輸入電壓范圍內穩定高效工作，適合各種低電壓系統。SY72220控制環(huán)路具有高增益帶寬誤差放大器，實(shí)現了快速的負載瞬態(tài)響應，動(dòng)態(tài)響應的延時(shí)不超過(guò)50ns。其工作頻率可通過(guò)I2C配置為3MHz、5MHz或10MHz。
SY72220具有輸入和輸出過(guò)壓保護（OVP），輸出欠壓保護（UVP）和短路保護（SCP），以及逐周期過(guò)流保護（OCP），提高了系統可靠性。EN使能引腳和集成的UVLO對降壓轉換器的打開(kāi)進(jìn)行嚴格的控制。平滑的預偏置啟動(dòng)最大程度上限制了啟動(dòng)浪涌電流。
SY72220的超高開(kāi)關(guān)頻率使其可采用極小尺寸的電感和電容，滿(mǎn)足對輸出紋波等性能參數的設計要求，極大縮減了PCB布局的空間，為終端設備提供了更為緊湊的解決方案。
SY72220采用定制的16引腳QFN3*4封裝，該封裝具有大尺寸PGND焊盤(pán)焊接至PCB，以獲得極低的結至板熱阻。
極簡(jiǎn)BOM設計，PCB布局緊湊
* 10MHz方案 vs 1MHz方案 尺寸對比
智能終端設備性能不斷提高，設備的設計空間也更為寶貴。SY72220采用緊湊型QFN封裝，芯片大小僅為3mm×4mm。SY72220開(kāi)關(guān)頻率高達10MHz，借由較小的輸出電容和電感，PCB面積僅為1MHz開(kāi)關(guān)頻率方案的1/4，降低BOM成本，極大程度提升了整體方案的功率密度。
極高環(huán)路帶寬，超快動(dòng)態(tài)響應
* SY72220典型負載瞬態(tài)響應
SY72220支持超快速負載瞬態(tài)響應，動(dòng)態(tài)響應的延時(shí)不超過(guò)50ns。其高環(huán)路帶寬實(shí)現了在快速負載跳變時(shí)較小的輸出電壓跌落和過(guò)沖，為設備提供更加穩定的電源輸出。
工作頻率范圍寬，轉換效率高
* SY72220典型工作點(diǎn)效率曲線(xiàn)(Vin=3.3V, Vo=1V)
SY72220可通過(guò)I2C選擇3MHz、5MHz或10MHz開(kāi)關(guān)頻率。SY72220通過(guò)優(yōu)化內部功率管開(kāi)通關(guān)斷的速度和導通電阻最大程度上降低了高頻率帶來(lái)的功率損耗。方案在3MHz的開(kāi)關(guān)頻率下，峰值效率可達90%以上。
應用場(chǎng)景
應用示例一
手機等掌上電子設備內部空間有限，隨著(zhù)CPU運算性能的不斷提升，需要有更高功率密度和超快速負載跳變響應的電源管理解決方案。這是SY72220芯片10MHz工作頻率的典型應用場(chǎng)景。
* 手機內部processer圖片
下面根據一組實(shí)際應用條件進(jìn)行輸出電感電容參數設計。
Vin=3.6V, Vo=1V, Iomax=16A, load step up: 0.1A-0.5*Iomax/100ns, load step down: 0.5*Iomax -0.1A/100ns, ?Vout(ac)<=±30mV(±3%)。
首先確定電感感值，一般按照電感紋波為滿(mǎn)載輸出電流的20%~40%。
Vo=L*?IL/toff, ?IL=30%*Iomax=4.8A.
Lthoeory=Vo*toff/?IL≈1*77ns/4.8≈16nH。
則最接近理論計算的可用電感感值為17nH(CLT32-17N)和15nH(HPLE041T-15NNSF)。
其次考慮滿(mǎn)足負載跳變的交流紋波要求。
◆ 當從輕載跳重載時(shí)，容性負載電壓的ΔVundershoot由輸出容值，負載變化速率，環(huán)路響應延時(shí)，電感感值，輸入和輸入電壓值和最大占空比決定。不考慮響應延時(shí)，由階躍跳變時(shí)刻到輸出電壓最低點(diǎn)時(shí)刻的電荷守恒，可得ΔVundershoot表達式：
* 0A→8A負載階躍跳變仿真及理論計算
代入參數Vin=3.6V, Vo=1V, ΔIout=8A。
L=15nH, Dmax=ton/(ton+toff_min)=0.46。
當要求ΔVundershoot≤30mV, Co需滿(mǎn)足>=24μF。
◆ 當從重載跳輕載時(shí)，容性負載電壓的ΔVovershoot由輸出容值，電感感值和輸出電壓決定。作同樣假設，并考慮輸出充高時(shí)下管可以一直打開(kāi)，由階躍跳變時(shí)刻到輸出電壓最高點(diǎn)時(shí)刻的電荷守恒，可得ΔVovershoot表達式：
* 8A→0A負載階躍跳變仿真及理論計算
當要求ΔVovershoot≤30mV,代入參數，Co需滿(mǎn)足>=16μF。
同時(shí)滿(mǎn)足輸出電壓ac紋波±30mV的要求，輸出容值應不小于24μF。
最后考慮輸出電壓的DC紋波。普通二端子的多層陶瓷電容器（MLCC）的諧振頻率大約在2~3MHz，其等效串聯(lián)寄生電感會(huì )在諧振頻率之后驟增，使輸出電壓紋波變大。三端子低ESL多層陶瓷電容器因為內部結構相當于多個(gè)電流路徑并聯(lián)，大大減小了ESL和ESR等寄生參數。為了進(jìn)一步減少輸出電壓紋波，建議采用三端子電容應用于5MHz及以上開(kāi)關(guān)頻率。
同時(shí)考慮輸出電壓的AC和DC紋波要求，輸出容采用6顆三端子電容NFM15PC435R0G3D (4.3μF,4V,0402)并聯(lián)。
由下表可知，10MHz的輸出無(wú)源元器件體積不到1MHz的十分之一，大大提高了功率密度。
* 滿(mǎn)足CPU供電應用條件的輸出無(wú)源元器件設計
實(shí)測負載跳變輸出電壓ac紋波≤±30mV。
*負載跳變波形
10MHz工作頻率下，全負載范圍內輸出電壓dc紋波≈5mV。
* 10MHz輸出電壓紋波
芯片工作在半載達到熱平衡時(shí)，芯片溫升不超過(guò)40℃。
* 熱成像圖
應用示例二
* 數據中心光模塊系統框圖
光模塊系統3.3V電源軌是SY72220芯片3MHz和5MHz工作頻率的一個(gè)典型應用場(chǎng)景，對于電源芯片主要有高集成化，高效率，低輸出電壓紋波等要求?；赟Y72220芯片的模組可以通過(guò)三維框架設計，集成除輸出電容外的全部無(wú)源元器件，更利于光模塊等模塊化系統的電源設計。
* 基于SY72220的模組概念圖
同時(shí)考慮電感高度和輸出電容的數量，則滿(mǎn)足一組光模塊應用條件的輸出電感電容值如下表：
* 滿(mǎn)足光模塊系統的不同頻率下的輸出電感電容值
輸出電壓dc紋波在兩個(gè)開(kāi)關(guān)頻率下均滿(mǎn)足≤5mV。
*3MHz&5MHz輸出電壓紋波測試
(Vin=3.3V, Vo=0.95V, Iout=15A)
3MHz&5MHz的兩個(gè)工作頻率下，滿(mǎn)載效率可以達85%以上，芯片溫升不超過(guò)50℃。
*3MHz&5MHz溫升和效率曲線(xiàn)
(Vin=3.3V, Vo=0.95V, TA=27℃)
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