高功率單片式 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器

作者 / 柏樺 ADI 應(yīng)用工程經(jīng)理 汪東 程穎 ADI 資深應(yīng)用工程師

　　已獲專利的Silent Switcher 技術(shù)在高頻、高功率電源中實(shí)現(xiàn)了令人印象深刻的 EMI 性能。作為這項(xiàng)技術(shù)的下一代，Silent Switcher 2 簡(jiǎn)化了電路板設(shè)計(jì)和制造，其所采取的方法是把熱環(huán)路電容器納入到封裝中，因此 PCB (印制板)布局對(duì)于 EMI 的影響極小。

摘要：隨著汽車中電子系統(tǒng)數(shù)量的成倍增加，車內(nèi)產(chǎn)生電磁干擾的風(fēng)險(xiǎn)也大幅升高了。因此，新式車輛中的電子產(chǎn)品常常必須符合 CISPR 25 Class 5 EMI 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)傳導(dǎo)型和輻射型 EMI 發(fā)射做了嚴(yán)格的限制。由于其本身的性質(zhì)，開關(guān)電源充斥著 EMI，并在整個(gè)汽車中“彌漫擴(kuò)散”。如今，低 EMI 與小的解決方案尺寸、高效率、散熱能力、堅(jiān)固性和易用性一起，成為了對(duì)汽車電源的一項(xiàng)關(guān)鍵要求。Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器系列可滿足汽車制造商嚴(yán)格的 EMI 要求，同時(shí)擁有緊湊的尺寸以及集成化 MOSFET 和高電流能力。

Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器為 SoC 供電

　　當(dāng)今 (及未來(lái)) 車輛上所使用的片內(nèi)系統(tǒng) (SoC) 器件與前幾代同類產(chǎn)品幾乎沒(méi)有什么相似之處。信息娛樂(lè)系統(tǒng)和車輛安全系統(tǒng)之特性和功能的指數(shù)性增加迫切要求 SoC 處理數(shù)據(jù)的速度比過(guò)去提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，包括以極少的延遲處理來(lái)自多個(gè)信號(hào)源的高分辨率視頻數(shù)據(jù)。例如，倘若汽車的前置攝像頭“看到”了某種危險(xiǎn)，則汽車必須立刻做出響應(yīng)，要么提醒駕駛者注意，要么剎車制動(dòng)。為了滿足最新的計(jì)算需求，SoC 在其封裝中集成了越來(lái)越多的高耗電器件，可是，將怎樣提供這些所需的功率呢? 在汽車中，功率輸送方案必須具有高效、緊湊和低 EMI 的特點(diǎn)。SoC 增加的需求使得它們更難以滿足。

　　比如，一個(gè) R-Car H3 SoC 包含 8 個(gè) Arm 內(nèi)核、DSP、視頻和圖形處理器以及輔助的支持器件。所有這些組件均需要可靠的電源，包括三個(gè)用于外設(shè)和輔助組件的電源軌 (5 V、3.3 V 和 1.8 V)、兩個(gè)用于 DDR3 和 LPDDR4 的電源軌 (1.2 V 和 1.1 V)、和另一個(gè)用于內(nèi)核的電源軌 (0.8 V)。

　　為了支持 SoC 所需的電流水平，具有外部 MOSFET 的開關(guān)電源控制器是優(yōu)先于單片式電源器件的傳統(tǒng)選擇方案。單片式器件因其內(nèi)部 MOSFET 最大限度縮減了成本和解決方案尺寸而引人注目，但是它們?cè)趥鹘y(tǒng)上受限的電流能力和存在的熱問(wèn)題則通常限制了其使用。LT8650S 和一個(gè)新的單片式降壓型 Silent Swicther 穩(wěn)壓器系列擁有支持 SoC 的電流能力和熱管理特性。

　　由于具備高效率和熱管理特性，因此 Power by Linear? LT?8650S、LT8609S 和 LT8645S 的輸出電流能力比典型單片式穩(wěn)壓器高得多。3 V 至 42 V (對(duì)于 LT8645S 則為 65 V) 的輸入電壓范圍涵蓋了汽車電池的各種電量條件。這些單片式 IC 具有集成的 MOSFET，并能以高于 2 MHz 的頻率運(yùn)行，因而縮減了解決方案尺寸和成本，同時(shí)避開了 AM 頻段。Silent Switcher 穩(wěn)壓器專為最大限度降低 EMI 而設(shè)計(jì)，從而使其成為適合 SoC 的一種熱門選擇。

雙輸出：5 V/4 A 和 1 V/4 A

　　圖 1為一款雙輸出 (2 MHz 5 V/4 A 和 1 V /4 A) 解決方案，其采用了 LT8650S 的兩個(gè)通道。這款電路可容易地進(jìn)行修改以適合其他的輸出組合，包括諸如 3.3 V 和 1.8 V 或 3.3 V 和 1.1 V 等，以利用 LT8650S 的寬輸入范圍。LT8650S 還可用作第一級(jí)轉(zhuǎn)換器，隨后用于提供更多輸出的各種較低功率第二級(jí)開關(guān)穩(wěn)壓器或 LDO 穩(wěn)壓器。

　　LT8650S 運(yùn)用了可消除 EMI 的 Silent Switcher 2 設(shè)計(jì)，具有集成的熱環(huán)路電容器，旨在最大限度減小噪聲天線尺寸。結(jié)合集成化 MOSFET，這實(shí)現(xiàn)了優(yōu)越的 EMI 性能。

適用于 SoC 的 16 A 解決方案

　　圖 2 為一款用于提供 SoC 電源的 3.3 V/16 A、四相解決方案。

　　另外，汽車 SoC 還對(duì)電源負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)有著極高的要求。外設(shè)電源的負(fù)載電流轉(zhuǎn)換速率達(dá)到 100 A/μs (內(nèi)核電源則更高) 的情況并不少見(jiàn)。無(wú)論負(fù)載的變化情況如何，電源都必須最大限度減小輸出電壓瞬變。快速開關(guān)頻率 (比如 LT8650S 系列能達(dá)到 2 MHz) 有助于加快瞬變恢復(fù)的速度。在采用正確環(huán)路補(bǔ)償?shù)那闆r下，較快的開關(guān)頻率對(duì)應(yīng)于較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。圖 2 給出了適合的組件值。在電路板布局中，應(yīng)盡量地減小從電路的輸出電容器至負(fù)載的走線電感，這一點(diǎn)也是至關(guān)緊要的。

針對(duì)較低功率應(yīng)用的高效率、緊湊型解決方案

　　除了諸如 SoC 和 CPU 等低電壓、高電流應(yīng)用之外，汽車和其他車輛還需要用于眾多低電流負(fù)載的電源，例如：儀表板、平視顯示器、車聯(lián)網(wǎng) (V2X)、傳感器、USB 充電器等。

　　由于可用空間和電池電量受限，因此對(duì)于電源轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，高效率和小解決方案尺寸是最重要的要求。低噪聲是前提條件。LT8609S 是一款針對(duì)所有這些應(yīng)用的合適解決方案。該器件設(shè)計(jì)了針對(duì)汽車電池條件的 3 V 至 42 V 輸入電壓范圍。集成的 MOSFET、內(nèi)置的補(bǔ)償電路和 2 MHz 的工作頻率最大限度減小了 LT8609S 解決方案尺寸。在 LT8609S 中運(yùn)用了 Silent Switcher 2 技術(shù)和集成型熱環(huán)路電容器，以盡量降低噪聲電平并提供優(yōu)異的效率指標(biāo)以及卓越的 EMI 性能。圖 3 為采用 LT8609S 的 2 MHz、5 V/2 A 應(yīng)用。

　　圖 4 為一款安置在兩層電路板上的完整 LT8609S 穩(wěn)壓器。LT8609S 的集成型 MOSFET 和內(nèi)置補(bǔ)償電路把組件數(shù)目減少為器件本身和少量的外部組件。再加上高速開關(guān)頻率，該典型應(yīng)用的核心解決方案總體尺寸僅為 11.5 mm x 12.3 mm。

　　降低解決方案成本的一種方法是盡量減少所需的 PCB 層數(shù)，但是這需要以犧牲性能為代價(jià)是可以預(yù)料到的。例如，就所實(shí)現(xiàn)的 EMI 性能而言，兩層電路板解決方案與四層電路板解決方案預(yù)計(jì)是不等同的。EMI 測(cè)試結(jié)果顯示：采用兩層電路板的 LT8609S 可滿足 CISPR 25 Class 5 EMI 輻射限制要求。

　　一般來(lái)說(shuō)，Silent Switcher 2 技術(shù)可在采用兩層甚至單層電路板的情況下獲得好的 EMI 性能，因而能夠極大地降低制造成本。

　　當(dāng)使用的電路板層數(shù)較少時(shí)，熱性能通常是一個(gè)讓人擔(dān)心的問(wèn)題，但是在采用 LT8609S 時(shí)情況則不是這樣。Silent Switcher 2 技術(shù)的低噪聲電平和高效率具有的優(yōu)勢(shì)是開關(guān)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的功率損耗很低。這與增強(qiáng)型散熱封裝相結(jié)合，使 LT8609S 展現(xiàn)出驕人的熱性能。圖 5 為兩層電路板和四層電路板之間的熱性能對(duì)比。由圖可見(jiàn)，對(duì)于 12 V 電池輸入，LT8609S 在滿負(fù)載條件下工作時(shí)的溫升差異小于 11 ℃。

面向 48 V 汽車系統(tǒng)的 Silent Switcher 2 解決方案

　　傳統(tǒng)車輛采用 12 V 電池以為點(diǎn)火、照明、音頻和信息娛樂(lè)電子設(shè)備、安全功能裝置及其他系統(tǒng)供電。遺憾的是，12 V 汽車系統(tǒng)的供電能力被限制在 3 kW，而數(shù)量龐大的汽車電子產(chǎn)品對(duì)這道“界限”發(fā)起的挑戰(zhàn)日益增多。

　　這個(gè)問(wèn)題，再加上電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的出現(xiàn)，對(duì)功率輸送規(guī)范提出了挑戰(zhàn)，汽車行業(yè)隨之將轉(zhuǎn)向 48 V 電池電源作為一種解決方案。與 12 V 電氣系統(tǒng)相比，48 V 電氣系統(tǒng)在功率需求很高的情況下可降低配電損耗，從而改善整體效率。

　　在 48 V 系統(tǒng)中，對(duì) DC/DC 轉(zhuǎn)換器提出的挑戰(zhàn)是必需保持與 12 V 系統(tǒng)相似的轉(zhuǎn)換效率、尺寸和低 EMI，而此時(shí)，高降壓比使得這些規(guī)格指標(biāo)的滿足更加困難。由采用 48 V 電池電源產(chǎn)生的好處不應(yīng)在 DC/DC 轉(zhuǎn)換過(guò)程中白白丟失。能夠以 2 MHz 頻率運(yùn)行以避免干擾 AM 頻段的單片式開關(guān)穩(wěn)壓器非常適合 48 V 汽車電氣系統(tǒng)，只要它們能高效地做到這一點(diǎn)就行。

　　能夠接受 48 V 標(biāo)稱輸入的單片式降壓型穩(wěn)壓器數(shù)量有限，它們大多支持小于 5 A 的負(fù)載電流。LT8645S 單片式降壓型穩(wěn)壓器可依靠高達(dá) 65 V 的輸入電壓支持 8 A 負(fù)載。其 40 ns 的最短接通時(shí)間 (TON) 和快速干凈的開關(guān)邊沿可實(shí)現(xiàn)高開關(guān)頻率和高效率 (在 2 MHz 時(shí)高達(dá) 94%)。

　　集成化補(bǔ)償電路和旁路電容器最大限度減小了總體解決方案尺寸，并簡(jiǎn)化了低 EMI 布局。利用一個(gè)簡(jiǎn)單的鐵氧體磁珠濾波器，LT8645S 能夠通過(guò) CISPR 25 Class 5 EMI 規(guī)格限制，并留有裕度。

　　圖 6 示出了采用 LT8645S 的超低 EMI 2 MHz、5 V/8 A 應(yīng)用。LT8645S 擁有支持高降壓比的非凡能力，甚至當(dāng)工作在高開關(guān)頻率時(shí)也是如此，這得益于其 40 ns 的最短接通時(shí)間。例如，LT8645S 能在 1 MHz 開關(guān)頻率下從一個(gè)高達(dá) 30 V 的輸入產(chǎn)生 1.8 V 輸出。如果跳過(guò)某些開關(guān)周期是可以接受的，那么輸入可升高至 65 V 的絕對(duì)最大額定值。

　　當(dāng)輸出低于 3.1 V 時(shí)，LT8645S 的 BIAS 引腳應(yīng)連接至一個(gè)高于 3.1 V 的外部電源以改善效率。如果沒(méi)有這樣的電源可用，則將 BIAS 引腳連接至 GND。

結(jié)論

　　Silent Switcher 和 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器可滿足汽車環(huán)境苛刻的 EMI 輻射要求。本文介紹的Silent Switcher 器件如表1所示。

　　其中，LT8650S 雙通道同步單片式 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器為 SoC 應(yīng)用提供了寬輸入電壓范圍、好的 EMI 性能和小的解決方案尺寸，同時(shí)還可提供多個(gè)高電流輸出和快速瞬態(tài)響應(yīng)。LT8609S 同步單片式 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器提供了寬輸入電壓范圍、低靜態(tài)電流、卓越的 EMI 性能、小的解決方案尺寸和高效率，該器件能夠容易地滿足當(dāng)今汽車中無(wú)處不在的電源系統(tǒng)之要求。LT8645S (輸入至 65 V) 可構(gòu)成適合 48 V 汽車系統(tǒng)的緊湊型低 EMI 解決方案。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第4期第69頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。