作者：Ying Cheng and Zhongming Ye

汽車、電信、數(shù)據(jù)通信和工業(yè)系統(tǒng)繼續(xù)采用越來越多的高級 SoC（片上系統(tǒng)）、FPGA 和微處理器解決方案。每一代 SoC 和 FPGA 都會隨著高功耗組件的添加和數(shù)據(jù)處理速度的提高而擴展功耗預(yù)算，以支持電信、音頻或視頻數(shù)據(jù)的實時流。這些需求只能通過堅固耐用、易于使用、高效率、高功率密度和低電磁輻射的低壓電源來滿足。

SoC 和 FPGA 需要多種低壓電源，包括 DDR 為 1.1 V、內(nèi)核為 0.8 V 和 I/O 設(shè)備為 3.3 V/1.8 V。從寬范圍的汽車電池或工業(yè)總線電壓提供低于1 V的電壓通常需要兩個階段：一個中間調(diào)節(jié)級到12 V或5 V，另一個到低電壓。每個DC-DC轉(zhuǎn)換都必須高效并通過EMI標(biāo)準(zhǔn)，以使整個電源系統(tǒng)能夠滿足苛刻的汽車、電信、數(shù)據(jù)通信和工業(yè)規(guī)范。

使用傳統(tǒng)的降壓穩(wěn)壓器可能很難滿足尺寸、效率和EMI設(shè)計目標(biāo)。低于1 V降壓穩(wěn)壓器傳統(tǒng)上依賴于體積龐大且EMI噪聲大的PWM控制器和MOSFET。汽車和工業(yè)系統(tǒng)的需求意味著設(shè)備必須讓位于更緊湊、具有更高電流能力、更高效率以及更重要的是卓越 EMI 性能的產(chǎn)品。線性功率?LTC7150S 和 LT8642S 系列中的單片式靜音開關(guān)器 2 降壓型穩(wěn)壓器專為滿足具有高可靠性和穩(wěn)健性的高級 SoC 電源需求而設(shè)計，同時滿足 EMI、尺寸和熱約束。

靜音開關(guān)穩(wěn)壓器 2 架構(gòu)可實現(xiàn)出色的 EMI 性能

使用傳統(tǒng)的DC-DC控制器可能難以滿足已發(fā)布的EMI標(biāo)準(zhǔn)，因此如果可能的話，EMI通常會預(yù)先解決。在系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)后期出現(xiàn)的EMI問題可能會在故障排除和重新設(shè)計方面花費大量金錢和時間。項目延誤、市場損失和商業(yè)信譽受損的風(fēng)險太大，不能聽之任之。為了確保在整個電源設(shè)計過程中符合EMI標(biāo)準(zhǔn)，EMI抑制通常被優(yōu)先考慮，有時甚至過度設(shè)計，而犧牲了其他理想的特性，即解決方案尺寸、總效率、可靠性和簡單性。

傳統(tǒng)方法通過減慢開關(guān)邊沿和/或降低開關(guān)頻率來控制EMI。例如，可以添加?xùn)艠O電阻或緩沖器，以減慢開關(guān)邊沿的導(dǎo)通或關(guān)斷，并降低開關(guān)頻率以降低EMI。然而，這些策略需要權(quán)衡取舍，包括增加最小導(dǎo)通時間、限制電壓轉(zhuǎn)換比和更大的解決方案尺寸。替代緩解技術(shù)（如笨重的EMI濾波器或金屬屏蔽）大大增加了電路板空間成本，增加了元件數(shù)量和更高的裝配復(fù)雜性，同時使熱管理和測試進一步復(fù)雜化。這些策略都不能滿足要求苛刻的SoC功率預(yù)算，即緊湊的尺寸、高效率和低EMI。

LT8642S是一款18 V/10 A降壓單芯片靜音開關(guān)穩(wěn)壓器2穩(wěn)壓器，采用4 mm×4 mm LQFN封裝。圖1顯示了12 V至1.2 V/10 A LT8642S解決方案及其超低EMI結(jié)果。LT8642S僅采用一個鐵氧體磁珠和輸入電容器作為輸入EMI濾波器，能夠以充足的裕量滿足嚴(yán)格的CISPR 25 5 Class 5輻射EMI規(guī)范（汽車行業(yè)廣泛采用）。另一個流行的EMI規(guī)范是消費電子產(chǎn)品制造商經(jīng)常使用的CISPR 32。LT8642S即使沒有輸入EMI濾波器，也能輕松滿足CISPR 32 B類輻射EMI規(guī)范。

圖1.采用LT8642S的超低EMI 1.2 V/10 A應(yīng)用。

LTC7150S是同類產(chǎn)品中的首款20 A、高效率降壓型穩(wěn)壓器，采用靜音開關(guān)2技術(shù)，可最大限度降低電磁發(fā)射，從而大大簡化了EMI濾波器的設(shè)計和布局，使其成為噪聲敏感型環(huán)境的理想選擇。ADI公司專有的靜音開關(guān)2架構(gòu)具有出色的EMI性能，同時最大限度地降低了單芯片穩(wěn)壓器的交流開關(guān)損耗。IC中包括熱回路電容器。這與集成MOSFET相結(jié)合，可顯著減小噪聲天線尺寸并最大限度地降低EMI。

在非?？焖俚拈_關(guān)邊沿上，開關(guān)節(jié)點振鈴最小化，從而降低了高頻噪聲以及存儲在熱回路中的相關(guān)能量。此外，熱回路一分為二，對稱布局以實現(xiàn)EMI自消除。這為噪聲敏感的汽車環(huán)境提供了安靜的電源，其中強大的SoC用于高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）或自動駕駛系統(tǒng)。這也滿足了電信、運輸和工業(yè)系統(tǒng)的要求，在這些系統(tǒng)中，需要高效率、低噪聲的電源來為下一代 SoC、CPU 和微處理器供電。

LTC7150S通過CISPR 25輻射EMI峰值限值，在前面安裝了一個簡單的EMI濾波器，如圖2中的原理圖所示，其中安裝了一個簡單的帶有鐵氧體磁珠的濾波器。圖3顯示了輻射EMI CISPR 25測試結(jié)果，它通過了CISPR 25 5類峰值限制。

圖2.LTC7150S 內(nèi)置 EMI 濾波器。

圖3.LTC7150S 輻射 EMI 性能。

并聯(lián)多個轉(zhuǎn)換器以擴展輸出電流

自動駕駛和自動泊車等高級功能需要更強大的 SoC 來實現(xiàn)實時流視覺或人工智能。同樣，電信和大數(shù)據(jù)安裝中的計算和服務(wù)器系統(tǒng)包括高性能SoC解決方案，這些解決方案需要比以往更多的功率。對于需要超過20 A電流能力的處理器系統(tǒng)，多個LTC7150S可以并聯(lián)并異相運行。

LTC7150S 具有一種同步功能，該功能可實現(xiàn)與一個外部時鐘的同步，而內(nèi)部 PLL （鎖相環(huán)） 則允許 LTC7150S 異相操作以實現(xiàn)多通道、多相操作以減小紋波。CLKOUT 信號可連接至后續(xù) LTC7150S 的 MODE/SYNC 引腳，以對齊整個系統(tǒng)的頻率和相位。多相操作在PHMODE引腳上實現(xiàn)。將PHMODE引腳連接到INTV抄送、SGND或浮動引腳在施加在MODE/SYNC引腳上的時鐘與CLKOUT之間產(chǎn)生相位差;差異分別為 180°、120° 或 90°，分別對應(yīng)于 2 相、3 相或 4 相操作。通過將每個 LTC7150S 的 PHMODE 引腳設(shè)置為不同的電壓電平，總共 12 個通道可以彼此異相運行。

圖4顯示了兩個并聯(lián)的轉(zhuǎn)換器，在1.2 V時提供40 A輸出電流。通過將 U1 的 CLKOUT 連接到 U2 的模式/同步，來自主單元的時鐘與從設(shè)備同步。主PHMODE引腳接地，從PHMODE引腳保持浮動狀態(tài)。這導(dǎo)致兩個通道之間的相位差為 180°，從而降低了輸入電流紋波。為了確保在穩(wěn)態(tài)和啟動期間更好的均流，ITH、FB 和 TRACK/SS 連接在一起。本地 RT電阻是必需的，不應(yīng)連接在一起。建議使用開爾文連接以獲得準(zhǔn)確的反饋和抗噪性。在底層接地引腳附近放置盡可能多的電源過孔，以提高熱性能。輸入熱回路的陶瓷帽應(yīng)靠近 V 放置在引 腳。

圖4.并聯(lián)兩個LTC7150S穩(wěn)壓器，將輸出電流能力擴展到40 A。

圖5.圖4中40 A電路的效率。

電感電流在啟動和穩(wěn)態(tài)期間保持平衡，如圖6所示。當(dāng)輸入為3.3 V時，32 A時的效率可高達89%。

圖6.并聯(lián)解決方案的電感電流波形。

高開關(guān)頻率提供高效率的緊湊型解決方案

靜音開關(guān)穩(wěn)壓器 2 架構(gòu)不僅可在 LT8642S 應(yīng)用中實現(xiàn)出色的 EMI 性能，還能產(chǎn)生快速、干凈的開關(guān)邊沿，從而降低開關(guān)損耗。最小的開關(guān)損耗以及僅 20 ns 的最小導(dǎo)通時間，可在高開關(guān)頻率和小解決方案尺寸下實現(xiàn)高效率。例如，12 V至1.2 V LT8642S解決方案可在2 MHz開關(guān)頻率下實現(xiàn)88%以上的效率。此外，由于其高速峰值電流模式架構(gòu)，LT8642S 可在過載或短路條件下采用飽和電感器安全地工作。因此，可以根據(jù)輸出負載要求選擇電感器。

緊湊型電源解決方案通常與熱性能相沖突。LT8642S能夠通過高效率和增強型熱封裝克服這種典型的權(quán)衡。圖7顯示了5 V/10 A LT8642S解決方案，開關(guān)頻率為1 MHz。對于12 V輸入，LT8642S在提供50 W功率時以小于47°C的外殼溫升工作，峰值效率達到97%以上。

圖7.采用LT8642S的50 W （5 V/10 A）解決方案。

圖8所示為3 MHz LT8642S解決方案。高頻操作通過使用一個小電感器和一個低值輸出電容來最大限度地減小解決方案尺寸。

圖8.采用LT8642S的3.3 V、3 MHz應(yīng)用。

LT8642S 還具有使能控制、電源良好指示器和軟啟動功能。這些功能對于 SoC 和 FPGA 電源所需的系統(tǒng)電源排序至關(guān)重要。

ADI公司的線性電源產(chǎn)品組合提供一系列降壓穩(wěn)壓器，可滿足高級SoC、FPGA和微處理器的各種功率預(yù)算。表 1 列出了一些設(shè)備及其當(dāng)前功能。

結(jié)論

工業(yè)和汽車環(huán)境中對更多智能、自動化和傳感的需求導(dǎo)致需要越來越高性能電源的電子系統(tǒng)激增。低 EMI 已從事后才想到的重中之重，而解決方案尺寸、高效率、熱熟練度、穩(wěn)健性和易用性仍然很重要。

ADI單芯片穩(wěn)壓器在這些領(lǐng)域表現(xiàn)出色，可滿足汽車、電信、數(shù)據(jù)中心和工業(yè)客戶的要求。特別是，包括LTC7150S和LT8642S在內(nèi)的高性能單片式穩(wěn)壓器系列通過采用專有的靜音開關(guān)技術(shù)，以緊湊的尺寸滿足嚴(yán)格的EMI標(biāo)準(zhǔn)。集成 MOSFET 和集成熱管理功能可在高達 20 V 的輸入范圍內(nèi)穩(wěn)健可靠地提供從幾安培到超過 20 A 的電流。該器件均包括使能控制、電源良好指示器和軟啟動功能，因此只需幾個組件即可完成電源設(shè)計。

審核編輯：郭婷