高功率密度數字IC需要新一代電源穩壓器

背景知識

先進的高功率密度數字集成電路(IC)，例如圖形處理器(GPU)和現場可編程門陣列(FPGA)，常見於功能豐富的電子環境中，包括：627ednc

• 汽車
• 醫療
• 電信
• 數據通信
• 工業
• 通信
• 遊戲
• 消費類音視頻

市場滲透率如此之高，全球對大電流低壓數字IC的需求激增也就不足為奇了。當前全球市場規模預估超過18億美元，預計該市場在2018年至2025年期間年增長率為10.87%，將達到37億美元。作為該市場最大的組成部分之一，預計FPGA的市場規模到2025年底將達15.3億美元。數字IC市場的其他代表產品還包括GPU、微控制器和微處理器、可編程邏輯器件(PLD)、數位訊號處理器(DSP)和專用集成電路(ASIC)。627ednc

高功率密度數字IC幾乎已經滲透進入所有的嵌入式系統。FPGA可以在上述市場領域實現先進應用。例如，在汽車應用中，高級駕駛員輔助系統(ADAS)和防撞系統可以預防由人為錯誤而引起的災難。同樣，政府規定的安全功能(諸如防抱死制動系統、穩定性控制和電子控制的獨立懸掛系統等)也需要FPGA來運行。627ednc

在消費類電子產品領域，對物聯網(IoT)功能、複雜的圖形引擎功能和機器對機器(M2M)功能的需求迫切需要先進的數字IC。海量數據存儲、雲計算中心以及光網絡模塊的擴展網絡推動了對FPGA和數字IC的需求。627ednc

這些數字IC功能強大，但要求嚴苛，特別是在電源需求方面。傳統上，為FPGA和ASIC供電一直採用高效開關穩壓器控制器驅動大功率MOSFET完成，但是這些基於控制器的電源方案存在潛在的噪聲幹擾、相對較慢的瞬態響應和布局限制等問題。近年來，可最大限度減少熱量的小型且安靜的低壓差(LDO)穩壓器成為一種替代方案，但它仍然存在自身的局限性。最近的電源轉換創新引入了大功率單片式開關穩壓器，它們能夠為數字IC有效供電，兼具低噪聲和高效率，同時還最大限度地降低了空間需求。627ednc

開關穩壓器、電荷泵與LDO穩壓器對比

實現低電壓、大電流降壓轉換與調節可採用多種方法，每種方法都有各自的性能和設計權衡。開關穩壓器控制器能夠在寬電壓範圍和大負載電流下實現高效率，但它們需要多個外部元件(如電感、電容和FET)才能運行，而這些元件可能會成為高頻和低頻噪聲的來源。無電感電荷泵(或開關電容電壓轉換器)也可以用來產生低電壓，但其輸出電流能力受限，瞬態性能較差，並且需要多個外部元件。因此，電荷泵在數字IC電源應用中並不常見。線性穩壓器(尤其是LDO穩壓器)很簡單，因為它們只需要兩個外部電容即可工作。但是，它們的功率可能有限，這取決於IC兩端輸入到輸出的電壓差大小、負載所需電流的大小以及封裝的熱阻特性。這無疑限制了它們為數字IC供電的能力。627ednc

單片式降壓轉換器的設計挑戰

摩爾定律自1965年問世以來，其遠見性和有效性一再得到驗證。晶圓製造技術的線寬不斷縮小，從而降低了數字IC的電壓。更小的幾何形狀工藝可以在最終產品中高度集成更多的高耗電功能。例如，現代計算機伺服器和光通信路由系統需要更寬的帶寬來處理更多的計算數據和網際網路流量，這些系統還會產生大量的熱量，因此需要高效率的IC。汽車配備更多的車載電子設備，用於娛樂、導航、自動駕駛功能甚至發動機控制。於是，系統的電流消耗和相應的總功耗都會增加。因此，需要先進的封裝和內部電源級的創新設計將熱量驅散出電源IC，同時提供更高的功率。627ednc

高電源抑制比(PSRR)和低輸出電壓噪聲(或紋波)是重要的考慮因素。具有高電源抑制比的器件可以濾除和抑制輸入噪聲，從而獲得乾淨穩定的輸出。此外，電源解決方案需要在寬帶寬範圍內實現低輸出電壓噪聲(或低輸出紋波)，因為現代數字系統具有多個電源軌，其中噪聲靈敏度是設計的主要考慮因素。隨著高端FPGA對速度要求的提高，電源噪聲容差逐漸降低，以最大限度地減少誤碼。噪聲引起的數字故障會大大降低這些高速PLD的有效數據吞吐速率。大電流下的輸入電源噪聲成為對電源要求較嚴苛的規範之一。627ednc

由於精確的幾何電路開關會產生高功耗，因此收發器速率越高(例如在FPGA中)，電流水平就越高。這些IC速度很快。它們可能在幾十至幾百納秒內使負載電流從接近零到數安培循環，因此需要使用超快速瞬態響應的穩壓器。627ednc

隨著留給電源穩壓器的電路板面積不斷減少，許多系統設計人員轉而使用開關頻率更快的單片式開關穩壓器，從而減小外部元件和整體解決方案的尺寸——但是這樣做必須要接受的一個權衡是，高頻下的開關損耗會引起一定的效率損耗。使用新一代單片式開關穩壓器可以避免這種權衡取捨。這些新的穩壓器集成了高邊和低邊開關，具有同步操作功能，可以嚴格控制開關柵極電壓，大大縮短了死區時間，即使在高頻率下也可以實現更高的效率。627ednc

大電流單片式開關的最大挑戰之一是能否將IC內部功率損耗所產生的熱量散發掉。這一難題可以通過使用多個電源和地引腳以及帶有銅柱的增強散熱層壓式封裝來解決，該封裝可以很輕鬆地將熱量從IC傳輸到電路板上。這些電源引腳連有較大的電路板銅平面，使熱量分散更均勻。627ednc

全新Silent Switcher降壓轉換器系列

顯然，適合高性能數字IC的降壓轉換器解決方案必須具有以下特性：627ednc

• 快速開關頻率，可使外部元件的尺寸最小；
• 零死區時間設計，以使高頻效率最大；
• 單晶片板載電源器件，可實現更小尺寸的解決方案；
• 多相操作支持並聯工作，從而實現大輸出電流並減少紋波；
• 低EMI，以滿足低系統噪聲要求；
• 同步工作，可實現高效率和低功率損耗；
• 設計簡單，以縮短設計周期並簡化認證與測試；
• 極低輸出紋波；
• 快速瞬態響應時間；
• 可在寬輸入/輸出電壓範圍內工作；
• 大輸出電流能力；
• 出色的散熱性能；
• 緊湊的尺寸。

ADI公司Power by Linear™ LTC33xx系列單片式大、中和小電流降壓穩壓器具備這些特性。電流最高的器件是LTC3310S，它是一款5V、10A的高功率密度、低EMI Silent Switcher® 2單片式同步降壓轉換器，採用9mm²封裝(功率密度=1.11A/mm²)。這款器件的固定頻率峰值電流模式架構非常適合要求快速瞬態響應的應用。LTC3310S採用了帶集成熱環路旁路電容的Silent Switcher 2架構，可在高達5MHz的頻率下實現高效率、小佔板面積的解決方案以及出色的EMI性能。多相操作支持最多四個器件直接並聯，可以提供高達40A的輸出電流。627ednc

LTC3310S的2.25V至5.5V輸入範圍支持眾多應用，包括大多數中間總線電壓。集成的低導通電阻MOSFET可提供高達10A的連續負載電流，且熱降額極少。0.5V至V_IN的輸出電壓範圍非常適合負載點應用，比如大電流、低電壓的DSP/FPGA/GPU/ASIC設計。其他主要應用包括光網絡、電信/數據通信、汽車系統、分布式電源架構及任何中高功率密度系統。圖1所示的典型設計非常簡潔，而圖2表明實現4相40A配置非常簡單。627ednc

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圖1：LTC3310S典型應用。627ednc

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圖2：將4個LTC3310S單片式穩壓器並聯構成一個4相40A降壓穩壓器。627ednc

LTC3310S的最短導通時間低至35ns，可實現高頻率下的大降壓比，並且當輸入與輸出電壓值接近時，100%佔空比工作可提供低壓差性能。工作頻率可同步至一個外部時鐘。LTC3310S的總體基準電壓精度在-40℃至+125℃的工作結溫範圍內優於±1%。其他特性包括電源良好信號（用於指示輸出處於穩壓狀態）、精確使能門限、輸出過壓保護、熱關斷、晶片溫度監視器、可編程軟啟動、跟蹤、時鐘同步、模式選擇和輸出短路保護。627ednc

LTC3310S採用增強耐熱18引腳3mm×3mm×0.94mm LQFN封裝。E級和I級器件的額定工作結溫範圍為-40℃至+125℃，而J級和H級的額定工作結溫範圍為-40℃至+150℃。627ednc

高效率、低EMI和快速瞬態響應

Silent Switcher降壓穩壓器設計可在高開關頻率(>2MHz)下提供高效率以及超低電磁幹擾(EMI)輻射，從而可實現非常緊湊且低噪聲的降壓解決方案。Silent Switcher系列採用特殊的設計和封裝技術，在2MHz下能夠實現>92%的效率，同時可以輕鬆符合CISPR 25 5類峰值EMI限制。新一代Silent Switcher 2技術的內部結構採用了銅柱代替鍵合線，增加了內部旁路電容，集成式襯底地平面可以進一步提高EMI，使其對PCB布局不敏感，從而可簡化設計並降低性能風險。627ednc

LTC3310S產品型號中的「S」代表它採用第二代Silent Switcher技術。IC集成了V_IN陶瓷電容，可以保持所有快速交流電流環路都很小，從而改善EMI性能。該技術支持快速開關邊沿，在高開關頻率下可提供高效率，同時實現良好的EMI性能(參見圖3、圖4和圖5)。此外，它還能實現更快速、更乾淨的低過衝開關邊沿，從而大大提高在高開關頻率下的效率。圖6顯示了LTC3310S的高效率性能。627ednc

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圖3：CISPR 25傳導EMI輻射，5類峰值限制(電壓法)。627ednc

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圖4：水平極性輻射發射。627ednc

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圖5：垂直極性輻射發射。627ednc

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圖6：LTC3310S效率性能。627ednc

LTC3310S的固定頻率峰值電流模式架構簡化了補償，使該IC能夠對瞬態階躍做出快速響應。外部補償元件使控制迴路得以優化，以實現更高帶寬和更快速的瞬態響應。627ednc

採用2mm×2mm封裝的6A、4A和3A Silent Switcher降壓器

對於更高的功率密度，第一代Silent Switcher架構是一個很好的解決方案。Silent Switcher拓撲與Silent Switcher 2拓撲類似，只是VIN旁路電容位於外部，而不是位於塑料密封的倒裝晶片層壓式封裝內部。為了完全實現Silent Switcher的低EMI性能，需將外部V_IN旁路電容對稱放置於封裝外部。這種電容分離式的對稱放置可以最大限度地減少熱環路的實際面積，從而降低EMI並縮小封裝佔位尺寸。627ednc

LTC3309A、LTC3308A和LTC3307A是5V輸入的穩壓器，可分別支持6A、4A和3A，實現高功率密度、低EMI單片式降壓轉換。它們的工作頻率均可達3MHz，封裝尺寸為4mm²(LTC3309A的功率密度=1.5A/mm²)。627ednc

圖7顯示了一個LTC3309A的典型應用。固定頻率峰值電流模式架構非常適合於快速瞬態響應，包括Burst Mode®工作期間的快速瞬態響應(參見圖8)。LTC3309A採用Silent Switcher架構，並利用了外部熱環路旁路電容。這種設計可在高工作頻率下實現高效率、小佔板面積的解決方案和出色的EMI性能。627ednc

該系列輸入電壓範圍為2.25V至5.5V，可支持多種應用，包括大多數中間總線電壓，並與鋰電池和鎳電池類型兼容。集成的低導通電阻MOSFET可提供高達6A的連續負載電流。0.5V至V_IN的輸出電壓範圍非常適合負載點應用，比如大電流/低電壓DSP/FPGA/GPU/ASIC參考設計。其他主要應用包括電信/數據通信和汽車系統、分布式電源架構和通用電源系統。627ednc

LTC3309A、LTC3308A和LTC3307A可工作在強制連續或脈衝跳躍模式(可實現低噪聲)或低紋波、低IQ突發模式(可在輕負載條件下實現高效率)，非常適合電池供電型系統。低至22ns的最短導通時間仍可實現高降壓比，即使電源工作在較高頻率下也是如此，並且當輸入與輸出電壓值相同時，100%佔空比工作可提供低壓差性能。工作頻率可以與外部時鐘同步。總體基準電壓精度在-55°C至+150°C的工作結溫範圍內優於±1%。該器件可在過載情況下安全地承受電感飽和。其他特性包括電源良好信號（指示輸出處於穩壓狀態）、內部軟啟動、精確使能門限、輸出過壓與短路保護、熱停機和時鐘同步。627ednc

LTC3309A、LTC3308A和LTC3307A均為引腳兼容的器件，採用增強散熱、小型超薄的12引腳2mm×2mm×0.74mm LQFN封裝。E級和I級器件的額定工作結溫範圍為-40℃至+125℃。J級和H級的額定工作結溫範圍為-40℃至+150℃，MP級的額定工作結溫範圍為-55℃至+150℃。627ednc

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圖7：LTC3309A典型應用電路。627ednc

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圖8：LTC3309A在突發模式工作時的瞬態響應。627ednc

總結

得益於晶圓製造技術的線寬縮小，高性能數字IC(例如GPU、FPGA和微處理器)呈現電流需求迅速增加和工作電壓下降的發展趨勢。電流和電壓需求只是整個電源設計的一個部分。數字IC的進步還提出了許多其他要求，包括快速瞬態響應、低EMI、低噪聲/紋波，以及高效工作以減少熱量。627ednc

傳統上，數字IC採用LDO穩壓器或基於電感的開關穩壓器控制器以及板外電源設備供電。隨著對電源性能和尺寸要求的提高，在許多情況下，這些傳統方法不能再勝任這項任務。ADI公司新一代的單片式電源則能夠完全勝任，這些產品包括LTC3310S、LTC3309A、LTC3308A和LTC3307A，分別支持10A、6A、4A和3A。這些高功率密度的Silent Switcher和Silent Switcher 2降壓穩壓器採用高散熱效率、緊湊的倒裝晶片層壓式封裝，並具有多種特性組合，可滿足多種數字IC電源問題的需求。627ednc

（原文刊登於ASPENCORE旗下Electronic Products網站，參考連結：High-power-density digital ICs call for a new generation of power regulators。）627ednc

本文為《電子技術設計》2020年01月刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。免費雜誌訂閱申請點擊這裡。627ednc