解析現代計算和通信數字系統中大電流單片降壓型轉換器的設計挑戰

2020-12-02 電子工程專輯

摩爾定律的可持續性被質疑十多年以來，半導體製造工藝依然在繼續這個神奇的預言，7納米已經規模製造兩年，而5納米、3納米以及更小的工藝技術呼之欲出。晶片製造技術線寬不斷變窄，因此要求數字 IC 以更低電壓運行。幾何尺寸更小的工藝允許在最終產品中集成更多需要大量功率的功能。FgHEETC-電子工程專輯

例如，現代計算機伺服器和通信路由系統需要更大的帶寬，以處理更多計算數據和網際網路流量。汽車有更多車載電子產品，以提供娛樂、導航、自助駕駛功能，甚至引擎控制。結果，系統電流消耗和所需的總功率增加了。因此，需要最先進的封裝和創新性內部電源級設計，以將電源 IC 中的熱量散出來，同時提供前所未有的大功率。 FgHEETC-電子工程專輯

大電流應用的電源設計挑戰分析

此外，較大的電源抑制比和較低的輸出電壓噪聲或紋波需求是另外兩項需要考慮的挑戰。具較大電源抑制比的器件能夠更容易地在輸入端濾除和抑制噪聲，從而產生乾淨和穩定的輸出。在很寬的帶寬內具較低輸出電壓噪聲或較低輸出紋波的器件有利於給如今的新式低噪聲軌供電，在這類軌中，噪聲靈敏度是設計時需要考慮的主要因素。FgHEETC-電子工程專輯

較高的收發器速率也決定了較大的電流，因為幾何尺寸很小的電路在切換時功耗較大。這類 集成電路速度很快，可能在幾十至數百納秒內就將負載電流從接近零增大到幾安培，因此需要具超快瞬態響應的穩壓器。FgHEETC-電子工程專輯

隨著為電源穩壓器保留的電路板面積越來越小，大家也日益熟知，具較高開關頻率的單片開關穩壓器減小了外部組件尺寸，因此也就減小了解決方案的總體尺寸，伴隨而來的折衷是，由於較高頻率時的開關損耗，效率有某種微小損失。不過，新一代單片開關穩壓器提供一些獨特的功能，甚至在較高頻率時也能顯著降低開關損耗。也就是說，集成的高壓側和低壓側開關同步運行允許更好地控制其柵極電壓，這極大地縮短了死區時間，因此能夠以更高效率運行。FgHEETC-電子工程專輯

大電流單片開關穩壓器的最大挑戰之一是其散熱能力，其熱量來自 IC 中產生的大量功耗。通過使用耐熱增強型球珊陣列 (BGA) 封裝，可以應對這一挑戰，在這種封裝中，大部分焊錫球都專門用於電源引腳，以便熱量可以非常容易地從 IC 傳送到電路板中。電路板上連接到這些電源引腳的較大銅平面允許熱量更加均勻地散出。FgHEETC-電子工程專輯

典型的大電流降壓型穩壓器解決方案

要解決上面提到的這些挑戰，需要採用具備以下屬性的降壓型轉換器解決方案：FgHEETC-電子工程專輯

• 較高的開關頻率 — 減小外部組件尺寸FgHEETC-電子工程專輯
• 死區時間為零的設計 — 提高效率FgHEETC-電子工程專輯
• 單片 — 內置功率器件以實現尺寸更小的解決方案FgHEETC-電子工程專輯
• 同步運行 — 效率更高和功耗更低FgHEETC-電子工程專輯
• 簡單的設計 — 需要的外部組件最少FgHEETC-電子工程專輯
• 非常低的輸出紋波FgHEETC-電子工程專輯
• 快速瞬態響應FgHEETC-電子工程專輯
• 在寬輸入 / 輸出電壓範圍內運行FgHEETC-電子工程專輯
• 能夠提供很大的輸出電流FgHEETC-電子工程專輯
• 出色的熱性能FgHEETC-電子工程專輯
• 緊湊的佔板面積FgHEETC-電子工程專輯

隨著數字系統電流越來越大、相應地工作電壓越來越低，伴隨這些進步而來的是在電源管理領域的更具挑戰性的需求，這類需求包括需要快速瞬態響應、低噪聲 / 低紋波、以及高效率運行以最大限度減少熱量。傳統上，給這些數字 IC 供電一直用 LDO 或基於電感器的開關穩壓器控制器和外置功率器件完成。ADI提供了採用高熱效率 BGA 封裝的新一代單片、大電流降壓型開關穩壓器，以解決這些問題。這些產品包括 LTC7150S 和 LTC7130，這兩款器件都具有獨特的功能，以解決多種應用為數字 IC 供電的問題。FgHEETC-電子工程專輯
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具有非常低紋波的高效率、1.5V/15A 降壓型轉換器LTC7130FgHEETC-電子工程專輯

為了滿足這些特定需求，凌力爾特推出了 LTC71xx 系列單片大電流降壓型穩壓器。這個系列的最新成員是 LTC7150S，這是一款 20V/20A 單片同步降壓型轉換器，具差分 VOUT 遠端檢測。該器件獨特的可鎖相受控接通時間、恆定頻率電流模式架構減輕了補償負擔，非常適合以高頻運行同時需要快速瞬態響應的高降壓比應用。LTC7150S 運用 Silent Switcher® 2 技術，包括集成的旁路電容器，以在高頻時提供具卓越 EMI 性能的高效率解決方案。FgHEETC-電子工程專輯

多達 12 個相位的多相運行允許直接並聯多個器件，以用最小的輸入和輸出電容提供更大的電流。VOUT 遠端檢測確保負載端電壓調節是準確的，不受負載電流或電路板布局的影響。其 3.1V 至 20V 的寬輸入範圍支持多種應用，包括大多數中間總線電壓，而且與很多電池類型兼容。集成的 N 溝道 MOSFET 在 0.6V 至 VIN 輸出電壓範圍內以最小的熱降額提供高達 20A 的連續負載電流，非常適合負載點應用，例如大電流 / 低電壓 DSP / FPGA / ASIC 參考設計。其他應用包括電信 / 數據通信系統、分布式電源架構和一般的高功率密度系統。FgHEETC-電子工程專輯

LTC7150S 的典型應用原理圖FgHEETC-電子工程專輯

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LTC7150S 非常短的 25ns 最短接通時間允許在高頻運行時實現高降壓比電源。工作頻率在 400kHz 至 3MHz 範圍內是用戶可選的，並可同步至一個外部時鐘。在 –40°C 至 125°C 工作結溫範圍內，LTC7150S 的總差分輸出電壓準確度為 ±1%，其他特點包括高速差分遠端檢測放大器、PHMODE 相位選擇器引腳、準確的 1.2V RUN 引腳門限、VIN 過壓保護、電源良好標記和可編程軟啟動 / 跟蹤。FgHEETC-電子工程專輯

滿足高效率、更低 EMI 和快速瞬態響應的設計挑戰

器件型號 LTC7150S 中的「S」指的是第二代 Silent Switcher 技術。該 IC 集成了用於 VIN 和BOOST 的陶瓷電容器，以保持所有快速 AC 電流環路都很小，因此改善了 EMI 性能。此外，該器件允許更快速的開關切換邊沿，這在高開關頻率時極大地提高了效率。FgHEETC-電子工程專輯

LTC7150S 的效率性能FgHEETC-電子工程專輯

LTC7150S 獨特的受控接通時間架構允許該 IC 快速響應瞬態階躍。這是在瞬態階躍時完成的 —— 開關頻率自帶加速能力，這就允許電感器電流更好地追隨誤差放大器 (ITH) 輸出的意願。這允許更積極地設定 ITH 補償，從而可增大環路總帶寬。FgHEETC-電子工程專輯

LTC7150S 允許在高頻時實現高效率，這是因為該器件有一個關鍵特點，即顯著縮短了死區時間。該 IC 內部的伺服環路在 SW 上升沿之前將死區時間鎖定為 <1ns。死區時間縮短最大限度減少/ 消除了對底部開關體二極體導通的需求。在頂部開關接通時，這從根本上消除了底部開關體二極體反向恢復的影響。因這個特點而使功耗相當顯著地降低了。FgHEETC-電子工程專輯

更低的紋波電流可降低電感器的磁芯損耗、輸出電容器的 ESR 損耗和輸出電壓紋波。在低頻、小紋波電流時可實現高效率運行。不過，實現這一點需要一個大型電感器。在組件尺寸、效率和工作頻率之間需要折衷。FgHEETC-電子工程專輯

這種獨特的恆定頻率 / 受控接通時間架構非常適合以高頻運行的高降壓比應用，同時需要快速瞬態響應。FgHEETC-電子工程專輯

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LTC7150S 的瞬態響應性能FgHEETC-電子工程專輯

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