隨著汽車、工業(yè)、數(shù)據(jù)中心和電信行業(yè)使用的電源數(shù)量的增加，多層陶瓷電容器 （MLCC） 的價(jià)格在過去幾年中急劇上漲。陶瓷電容器用于電源的輸出端以降低輸出紋波，并控制由于高壓擺率負(fù)載瞬變導(dǎo)致的輸出電壓過沖和下沖。由于其低 ESR 和低 ESL 在高頻下，輸入側(cè)需要陶瓷電容器用于去耦和過濾 EMI。

為了提高工業(yè)和汽車系統(tǒng)的性能，需要將數(shù)據(jù)處理速度提高幾個(gè)數(shù)量級，越來越多的耗電設(shè)備擠入微處理器、CPU、片上系統(tǒng) （SoC）、ASIC 和 FPGA 。 這些復(fù)雜設(shè)備類型中的每一種都需要許多穩(wěn)壓電壓軌：通常，內(nèi)核為 0.8 V，DDR3 和 LPDDR4 分別為 1.2 V 和 1.1 V，外圍和輔助組件分別為 5 V、3.3 V 和 1.8 V。降壓（降壓）轉(zhuǎn)換器廣泛用于從電池或直流總線產(chǎn)生穩(wěn)壓電源。

例如，汽車中高級駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS） 的普及顯著提高了陶瓷電容器的使用率。隨著 5G 技術(shù)在需要高性能電源的電信領(lǐng)域的興起，陶瓷電容器的使用量也將顯著增加。內(nèi)核電源電流從幾安培增加到幾十安培，對電源紋波、負(fù)載瞬態(tài)過沖/下沖和電磁干擾 （EMI） 的控制非常嚴(yán)格——這些特性需要額外的電容。

在很多情況下，傳統(tǒng)的供電方式跟不上變化的步伐。整體方案尺寸太大，效率太低，電路設(shè)計(jì)太復(fù)雜，物料清單（BOM）成本太高。例如，為了滿足快速負(fù)載瞬變的嚴(yán)格電壓調(diào)節(jié)規(guī)范，輸出端需要大量陶瓷電容器來存儲和提供負(fù)載瞬變產(chǎn)生的大量電流。輸出陶瓷電容的總成本可以達(dá)到功率IC的數(shù)倍。

較高的電源工作（開關(guān)）頻率可以降低瞬態(tài)對輸出電壓的影響，并降低電容要求和整體解決方案尺寸，但較高的開關(guān)頻率通常會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗增加，從而降低整體效率。是否有可能避免這種折衷并滿足高級微處理器、CPU、SoC、ASIC 和 FPGA 要求的極高電流水平的瞬態(tài)要求？為了考慮這個(gè)問題，讓我們看一下 SoC 的 20 V 輸入到 1 V 輸出 15 A 的情況。

15 A 從 20 V 輸入

圖 1 顯示了用于 SoC 和 CPU 電源應(yīng)用的 1 MHz、1.0 V、15 A 架構(gòu)，其中輸入通常為 12 V 或 5 V，可以在 3.1 V 至 20 V 之間變化。只有輸入和輸出電容器、電感器和幾個(gè)小電阻和電容是完成電源所必需的。該電路可以輕松修改以產(chǎn)生其他輸出電壓，例如 1.8 V、1.1 V 和 0.85 V，低至 0.6 V。輸出軌的負(fù)返回（到 V– 引腳）可實(shí)現(xiàn)對輸出的遠(yuǎn)程反饋感應(yīng)電壓接近負(fù)載，最大限度地減少由跨板走線電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(wěn)壓器。這個(gè)特殊的穩(wěn)壓器是一個(gè)LTC7151S單片降壓穩(wěn)壓器，它使用 Silent Switcher 2 架構(gòu)來簡化 EMI 濾波器設(shè)計(jì)。采用 28 引線、耐熱增強(qiáng)型 4 mm × 5 mm × 0.74 mm LQFN 封裝。通過谷值電流模式進(jìn)行控制并降低輸出電容要求。內(nèi)置保護(hù)功能，最大限度地減少外部保護(hù)元件的數(shù)量。

頂部開關(guān)的最短導(dǎo)通時(shí)間僅為 20 ns（典型值），可在非常高的頻率下直接降壓至內(nèi)核電壓。熱管理功能可在高達(dá) 20 V 的輸入電壓下提供高達(dá) 15 A 的可靠且持續(xù)的電流，無需散熱器或氣流，使其成為電信、工業(yè)、運(yùn)輸和汽車領(lǐng)域 SOC、FPGA、DSP、GPU 和微處理器的熱門選擇應(yīng)用程序。憑借寬輸入范圍，該穩(wěn)壓器可用作第一級中間轉(zhuǎn)換器，在 5 V 或 3.3 V 時(shí)支持高達(dá) 15 A 的電流到多個(gè)下游負(fù)載點(diǎn)或 LDO 穩(wěn)壓器。

圖 1. 用于 SoC 和 CPU 的 1 MHz、15 A 降壓穩(wěn)壓器的原理圖和效率。

以最小的輸出電容滿足嚴(yán)格的瞬態(tài)規(guī)范

通常，輸出電容會(huì)按比例調(diào)整以滿足環(huán)路穩(wěn)定性和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的要求。這些規(guī)范對于為處理器內(nèi)核電壓提供服務(wù)的電源尤其嚴(yán)格，其中負(fù)載瞬態(tài)過沖和下沖必須得到很好的控制。例如，在負(fù)載階躍期間，輸出電容器必須介入，立即提供電流以支持負(fù)載，直到反饋回路使開關(guān)電流上升到足以接管。通常，通過在輸出側(cè)安裝大量多層陶瓷電容器來抑制過沖和下沖，從而滿足快速負(fù)載瞬態(tài)期間的電荷存儲要求。

此外，提高開關(guān)頻率可以提高快速環(huán)路響應(yīng)，但代價(jià)是開關(guān)損耗增加。

還有第三種選擇：具有谷值電流模式控制的穩(wěn)壓器可以動(dòng)態(tài)改變穩(wěn)壓器的開關(guān) TON 和 TOFF 時(shí)間，幾乎可以瞬間滿足負(fù)載瞬態(tài)的需求。這允許顯著降低輸出電容以滿足快速響應(yīng)時(shí)間。圖 2 顯示了 LTC7151S Silent Switcher 穩(wěn)壓器以 8 A/μs 壓擺率立即響應(yīng)從 4 A 到 12 A 的負(fù)載階躍的結(jié)果。LTC7151S 的受控導(dǎo)通時(shí)間 （COT） 谷值電流模式架構(gòu)允許開關(guān)節(jié)點(diǎn)脈沖在 4 A 至 12 A 負(fù)載階躍轉(zhuǎn)換期間壓縮。上升沿開始后約 1 μs，輸出電壓開始恢復(fù)，過沖和下沖限制為 46 mV 峰峰值。圖 2a 所示的三個(gè) 100 μF 陶瓷電容器足以滿足典型的瞬態(tài)規(guī)格，如圖 2b 所示。

圖 2. （a） 這個(gè) 5 V 輸入到 1 V 輸出的應(yīng)用以 2 MHz 運(yùn)行，需要最小的輸出電容來快速、干凈地對 （b） 負(fù)載階躍以及 （c） 負(fù)載階躍期間的開關(guān)波形作出反應(yīng)。

3 MHz 的高效降壓適用于狹窄空間

使用高度集成的穩(wěn)壓器可使 MOSFET、驅(qū)動(dòng)器和熱回路電容器保持閉合。這減少了寄生效應(yīng)，并允許以非常窄的死區(qū)時(shí)間快速打開/關(guān)閉開關(guān)。開關(guān)的反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通損耗大大降低。集成的熱回路去耦電容器和內(nèi)置補(bǔ)償電路還消除了設(shè)計(jì)復(fù)雜性，最大限度地減小了總體解決方案尺寸。

如前所述，頂部開關(guān)的 20 ns（典型值）最小值允許在高頻下實(shí)現(xiàn)非常低的占空比轉(zhuǎn)換，使設(shè)計(jì)人員能夠利用非常高的頻率（例如 3 MHz）來減小尺寸和值電感、輸入電容和輸出電容。極其緊湊的解決方案可用于空間有限的應(yīng)用，例如汽車和醫(yī)療應(yīng)用中的便攜式設(shè)備或儀器。使用 LTC7151S 時(shí)，無需使用風(fēng)扇和散熱器等體積龐大的熱緩解組件，這要?dú)w功于它的高性能功率轉(zhuǎn)換，即使在非常高的頻率下也是如此。

圖 3 顯示了在 3 MHz 開關(guān)頻率下工作的 5 V 至 1 V 解決方案。伊頓的小尺寸 100 nH 電感器與三個(gè) 100 μF/1210 陶瓷電容器一起為 FPGA 和微處理器應(yīng)用提供了一個(gè)非常薄的緊湊型解決方案。效率曲線如圖 3b 所示。滿載時(shí)室溫溫升約為15°C。

圖 3. f SW = 3 MHz時(shí) 5 V 輸入至 1 V/15 A 的原理圖和效率。

提高 EMI 性能

滿足已發(fā)布的 EMI 規(guī)范，例如 CISPR 22/CISPR 32 傳導(dǎo)和輻射 EMI 峰值限制，15 A 應(yīng)用可能意味著多次迭代電路板旋轉(zhuǎn)，涉及解決方案尺寸、總效率、可靠性和復(fù)雜性的眾多權(quán)衡。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。兩者都有不良影響，例如降低效率、增加最小開關(guān)時(shí)間以及更大的解決方案尺寸。強(qiáng)力 EMI 緩解措施，例如復(fù)雜而笨重的 EMI 濾波器或金屬屏蔽，在所需的電路板空間、組件和組裝方面增加了大量成本，同時(shí)使熱管理和測試復(fù)雜化。

可以通過多種方式降低 EMI，包括集成熱回路電容器，以最大限度地減少噪聲天線尺寸。LTC7151S 通過結(jié)合高性能 MOSFET 和驅(qū)動(dòng)器來保持低 EMI，這使得 IC 設(shè)計(jì)人員能夠生產(chǎn)出具有內(nèi)置最小化開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴的器件。結(jié)果是，即使在開關(guān)邊沿具有高壓擺率時(shí)，存儲在熱環(huán)路中的相關(guān)能量也受到高度控制，從而實(shí)現(xiàn)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關(guān)損耗。

LTC7151S 已經(jīng)在 EMI 測試室中進(jìn)行了測試，并通過了 CISPR 22/CISPR 32 傳導(dǎo)和輻射 EMI 峰值限制，并且前面帶有一個(gè)簡單的 EMI 濾波器。圖 4 顯示了 1 MHz、1.2 V/15 A 電路的示意圖，圖 5 顯示了千兆赫橫向電磁 （GTEM） 單元中的輻射 EMI CISPR 22 測試結(jié)果。

圖 5. GTEM 中的輻射 EMI 超過 CISPR 22 B 類限制。

工業(yè)和汽車環(huán)境中智能電子、自動(dòng)化和傳感器的普及推動(dòng)了對電源的數(shù)量和性能要求。尤其是低 EMI，隨著對小解決方案尺寸、高效率、熱效率、穩(wěn)健性和易用性的通常要求，作為關(guān)鍵電源參數(shù)考慮因素的優(yōu)先級越來越高。借助集成穩(wěn)壓器，開發(fā)人員可以在非常緊湊的情況下滿足嚴(yán)格的 EMI 要求。借助谷值電流模式控制和高頻操作，穩(wěn)壓器可以動(dòng)態(tài)改變 TON 和 TOFF 時(shí)間，以幾乎瞬時(shí)地主動(dòng)支持負(fù)載瞬態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)更小的輸出電容和快速響應(yīng)。

審核編輯：郭婷