小尺寸高功率密度的電源實現(xiàn)

背景知識

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202003/410581.htm

復雜的高功率密度數(shù)字集成電路(IC)，例如圖形處理器單元(GPU)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，常見于功能豐富的電子環(huán)境中，包括：汽車，醫(yī)療，電信，數(shù)據(jù)通信，工業(yè)，通信，游戲設(shè)備，消費類音頻/視頻。

圖1.LTC3310S典型應(yīng)用。

市場滲透率如此之高，全球?qū)Υ箅娏鞯蛪簲?shù)字IC的需求激增也就不足為奇了。當前全球市場規(guī)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(guī)模到2025年底將達15.3億美元。數(shù)字IC市場的其他代表產(chǎn)品還包括GPU、微控制器和微處理器、可編程邏輯器件(PLD)、數(shù)字信號處理器(DSP)和專用集成電路(ASIC)。

高功率密度數(shù)字IC幾乎已經(jīng)滲透進入所有的嵌入式系統(tǒng)。FPGA可以在上述市場領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)先進應(yīng)用。例如，在汽車應(yīng)用中，高級駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)和防撞系統(tǒng)可以預防由人為錯誤而引起的災難。同樣，政府規(guī)定的安全功能（諸如防抱死制動系統(tǒng)、穩(wěn)定性控制和電子控制的獨立懸掛系統(tǒng)等）也需要FPGA來發(fā)揮作用。

在消費類電子產(chǎn)品領(lǐng)域，對物聯(lián)網(wǎng)(IoT)功能、復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(shù)字IC。海量數(shù)據(jù)存儲、云計算中心以及光網(wǎng)絡(luò)模塊的擴展網(wǎng)絡(luò)推動了對FPGA和數(shù)字IC的需求。

這些數(shù)字IC功能強大，但要求嚴苛，特別是在功率需求方面。傳統(tǒng)上，為FPGA和ASIC供電一直采用高效開關(guān)穩(wěn)壓器控制器驅(qū)動高功率MOSFET完成，但是這些基于控制器的電源方案存在潛在的噪聲干擾、相對較慢的瞬態(tài)響應(yīng)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(wěn)壓器已經(jīng)被用作替代方案，但它仍然存在自身的局限性。最近的電源轉(zhuǎn)換創(chuàng)新引入了高功率單片式開關(guān)穩(wěn)壓器，它能夠為數(shù)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。

圖2.4個LTC3310S單片式穩(wěn)壓器并聯(lián)構(gòu)成一個4相、40A降壓型穩(wěn)壓器。

開關(guān)穩(wěn)壓器、電荷泵與LDO穩(wěn)壓器

實現(xiàn)低電壓、大電流降壓轉(zhuǎn)換與調(diào)節(jié)可采用多種方法，每種方法都有各自的性能和設(shè)計權(quán)衡考量。開關(guān)穩(wěn)壓器控制器能夠在寬電壓范圍內(nèi)和高負載電流下高效運行，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(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器）也可以用來產(chǎn)生低電壓，但其輸出電流能力受限，瞬態(tài)性能較差，并且需要多個外部元件。因此，電荷泵在數(shù)字IC電源應(yīng)用中并不常見。線性穩(wěn)壓器（尤其是LDO穩(wěn)壓器）很簡單，因為它們只需要兩個外部電容即可工作。但是，它們的功率可能受限，這取決于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?yōu)閿?shù)字IC供電的能力。

圖3.CISPR 25傳導EMI輻射，5類峰值限制（電壓法）。

單片式降壓型轉(zhuǎn)換器的設(shè)計挑戰(zhàn)

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。晶圓制造技術(shù)的線寬不斷縮小，從而降低了數(shù)字IC的電壓。更小的幾何形狀工藝可以在最終產(chǎn)品中高度集成更多的高耗電功能。例如，現(xiàn)代計算機服務(wù)器和光通信路由系統(tǒng)需要更寬的帶寬來處理更多的計算數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)流量；這些系統(tǒng)還會產(chǎn)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(shè)備，用于娛樂、導航、自動駕駛功能甚至發(fā)動機控制。于是，系統(tǒng)的電流消耗和相應(yīng)的總功耗都會增加。因此，需要先進的封裝和內(nèi)部功率級的創(chuàng)新設(shè)計將熱量驅(qū)散出功率IC，同時提供更高的功率。

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過濾和抑制輸入噪聲，從而獲得干凈穩(wěn)定的輸出。此外，電源解決方案需要在寬帶寬范圍內(nèi)具有低輸出電壓噪聲（或低輸出紋波），因為現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)具有多個電源軌，其中噪聲靈敏度是設(shè)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(shù)字故障會大大降低這些高速PLD的有效數(shù)據(jù)吞吐速率。大電流下的輸入電源噪聲成為對電源要求更嚴苛的規(guī)范之一。

收發(fā)器速率越高（例如在FPGA中），導致電流水平越高，這是由精細的幾何形狀電路切換產(chǎn)生的高功耗所致。這些IC速度很快。它們可能循環(huán)地在幾十至幾百納秒內(nèi)就使負載電流從接近零到幾安培，因此需要具有超快速瞬態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)壓器。

隨著留給功率穩(wěn)壓器的電路板面積不斷減少，許多系統(tǒng)設(shè)計人員轉(zhuǎn)向使用工作于快速開關(guān)頻率下的單片式開關(guān)穩(wěn)壓器，以減小外部元件的尺寸和整體解決方案的尺寸，這意味著需要接受因更高頻率下的開關(guān)損耗而導致一些效率損耗的權(quán)衡取舍。使用新一代單片式開關(guān)穩(wěn)壓器可以避免這種權(quán)衡取舍。這些新的穩(wěn)壓器集成了高邊和低邊開關(guān)，具有同步操作功能，可以嚴格控制開關(guān)柵極電壓，大大縮短了死區(qū)時間，即使在高頻率下也可以實現(xiàn)更高的效率。

大電流單片式開關(guān)的最大挑戰(zhàn)之一是能否散發(fā)由IC內(nèi)功率損耗產(chǎn)生的熱量。這一難題可以通過使用多個電源引腳和接地引腳以及帶有銅(Cu)柱的耐熱性能增強型層壓式封裝來解決，該封裝可以很輕松地將熱量從IC傳輸?shù)诫娐钒迳?。將較大的板上覆銅平面連接到這些電源引腳，使熱量分布更均勻。

圖4.水平極性輻射。

全新Silent Switcher降壓型轉(zhuǎn)換器系列

顯然，適合高性能數(shù)字IC的降壓型轉(zhuǎn)換器解決方案必須具有以下特性：

?   快速開關(guān)頻率，以使外部元件的尺寸最小

?   零死區(qū)時間設(shè)計，以使高頻效率最大

?   單芯片板載電源器件，以使解決方案尺寸更小

?   多相操作支持并聯(lián)運行，以實現(xiàn)高輸出電流并減少紋波

?   低EMI，以滿足低系統(tǒng)噪聲要求

?   同步操作，以實現(xiàn)高效率和低功率損耗

?   設(shè)計簡單，以縮短設(shè)計周期并簡化認證與測試

?   輸出紋波極低

?   快速瞬態(tài)響應(yīng)時間

?   在寬輸入/輸出電壓范圍內(nèi)工作

?   高輸出電流能力

?   出色的散熱性能

?   緊湊的尺寸

圖5.垂直極性輻射。

ADI公司Power by Linear? LTC33xx系列單片式高、中和低電流降壓型穩(wěn)壓器具備這些特性。電流最高的器件是LTC3310S，它是一款5 V、10 A的高功率密度、低EMI Silent Switcher^? 2單片式同步降壓型轉(zhuǎn)換器，采用9 mm²封裝（功率密度= 1.11 A/mm²）。該器件的固定頻率峰值電流模式架構(gòu)非常適合要求快速瞬態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用。LTC3310S采用集成了熱環(huán)路旁路電容的Silent Switcher 2架構(gòu)，可在高達5 MHz的頻率下實現(xiàn)高效率、小占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并聯(lián)，以提供高達40 A的輸出電流。

LTC3310S的2.25 V至5.5 V輸入范圍支持眾多應(yīng)用，包括大多數(shù)中間總線電壓。集成的低導通電阻MOSFET可提供高達10 A的連續(xù)負載電流，且熱降額極少。0.5 V至V_IN的輸出電壓范圍非常適合負載點應(yīng)用，比如高電流、低電壓的DSP/FPGA/GPU/ASIC設(shè)計。其他主要應(yīng)用包括光網(wǎng)絡(luò)、電信/數(shù)據(jù)通信、汽車系統(tǒng)、分布式電源架構(gòu)及任何中高功率密度系統(tǒng)。圖1顯示了典型設(shè)計的簡潔性，圖2則顯示了產(chǎn)生4相40 A配置非常簡單。

LTC3310S低至35 ns的最短導通時間可實現(xiàn)高頻率下的大降壓比，并且當輸入與輸出電壓值接近時，100%占空比操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°C至+125°C的工作結(jié)溫范圍內(nèi)優(yōu)于±1%。其他特性包括指示輸出處于穩(wěn)壓狀態(tài)的電源良好信號、精準使能門限、輸出過壓保護、熱停機、芯片溫度監(jiān)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。

LTC3310S采用耐熱性能增強型18引腳3 mm×3 mm×0.94 mm LQFN封裝。E級和I級器件的額定工作結(jié)溫范圍為-40°C至+125°C，而J級和H級的額定工作結(jié)溫范圍為-40°C至+150°C。

圖6.LTC3310S效率性能。

高效率、低EMI和快速瞬態(tài)響應(yīng)

Silent Switcher降壓型穩(wěn)壓器設(shè)計在高開關(guān)頻率(>2 MHz)下提供高效率、超低電磁干擾(EMI)輻射，從而可實現(xiàn)非常緊湊且低噪聲的降壓解決方案。Silent Switcher系列采用特殊的設(shè)計和封裝技術(shù)，在2 MHz下能夠?qū)崿F(xiàn)>92%的效率，同時可以輕松符合CISPR 25 5類峰值EMI限制。新一代的Silent Switcher 2技術(shù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用銅柱代替鍵合線，增加了內(nèi)部旁路電容，以及集成式襯底接地平面以進一步提高EMI，使其對PCB布局不敏感，從而可簡化設(shè)計并降低性能風險。

LTC3310S產(chǎn)品型號中的“S”代表它采用第二代Silent Switcher技術(shù)。IC集成了V_IN陶瓷電容，以保持所有快速交流電流環(huán)路都很小，從而改善了EMI性能。該技術(shù)支持快速開關(guān)邊沿，在高開關(guān)頻率下可提供高效率，同時實現(xiàn)良好的EMI性能（參見圖3、圖4和圖5）。此外，它允許更快速、更干凈的低過沖開關(guān)邊沿，從而大大提高了在高開關(guān)頻率下的效率。圖6顯示了LTC3310S的高效率性能。

LTC3310S的固定頻率峰值電流模式架構(gòu)簡化了補償，使IC能夠快速響應(yīng)瞬態(tài)階躍。外部補償元件使控制環(huán)路得以優(yōu)化，以實現(xiàn)更高帶寬和更快速的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖7.LTC3309A典型應(yīng)用電路。

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

對于更高的功率密度，第一代Silent Switcher架構(gòu)是一個很好的解決方案。Silent Switcher拓撲與Silent Switcher 2拓撲類似，只是V_IN旁路電容位于外部，而不是位于塑料密封的倒裝芯片層壓式封裝內(nèi)部。為了完全實現(xiàn)Silent Switcher的低EMI性能，需將外部V_IN旁路電容對稱放置于封裝外部。這種電容分離式的對稱放置可以最大限度地減少熱環(huán)路的有效面積，從而降低EMI并縮小封裝占位尺寸。

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

圖7顯示了一個LTC3309A的典型應(yīng)用。固定頻率峰值電流模式架構(gòu)非常適合于快速瞬態(tài)響應(yīng)，包括Burst Mode^?操作期間的快速瞬態(tài)響應(yīng)（參見圖8）。LTC3309A采用Silent Switcher架構(gòu)，并利用了外部熱環(huán)路旁路電容。這種設(shè)計可在高工作頻率下實現(xiàn)高效率、小占板面積的解決方案和出色的EMI性能。

該系列輸入電壓范圍為2.25 V至5.5 V，可支持多種應(yīng)用，包括大多數(shù)中間總線電壓，并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6 A的連續(xù)負載電流。0.5 V至V_IN的輸出電壓范圍非常適合負載點應(yīng)用，比如高電流/低電壓DSP/FPGA/GPU/ASIC參考設(shè)計。其他主要應(yīng)用包括電信/數(shù)據(jù)通信和汽車系統(tǒng)、分布式電源架構(gòu)和通用電源系統(tǒng)。

LTC3309A、LTC3308A和LTC3307A可工作在強制連續(xù)或跳脈沖模式（以實現(xiàn)低噪聲）或低紋波、低I_Q突發(fā)模式（以在輕負載條件下實現(xiàn)高效率)，非常適合電池供電型系統(tǒng)。低至22 ns的最短導通時間仍可實現(xiàn)高降壓比，即使電源工作在較高頻率下也是如此，并且當輸入與輸出電壓值相同時，100%占空比操作可提供低壓差性能。工作頻率可同步至一個外部時鐘。總體基準電壓精度在-55°C至+150°C的工作結(jié)溫范圍內(nèi)優(yōu)于±1%。該器件可在過載情況下安全地承受電感飽和。其他特性包括指示輸出處于穩(wěn)壓狀態(tài)的電源良好信號、內(nèi)部軟啟動、精準使能門限、輸出過壓與短路保護、熱停機和時鐘同步。

LTC3309A、LTC3308A和LTC3307A均為引腳兼容的器件，采用耐熱性能增強型、外形扁平的12引腳2 mm × 2 mm × 0.74 mm LQFN緊湊型封裝。E級和I級器件的額定工作結(jié)溫范圍為-40°C至+125°C。J級和H級的額定工作結(jié)溫范圍為-40°C至+150°C，MP級的額定工作結(jié)溫范圍為-55°C至+150°C。

圖8.LTC3309A在突發(fā)模式操作時的瞬態(tài)響應(yīng)。

表1比較了LTC33xx Silent Switcher和Silent Switcher 2系列的產(chǎn)品特性。

表1.故障模式和支持的范圍

結(jié)論

高性能數(shù)字IC（例如GPU、FPGA和微處理器）的趨勢是電流需求迅速增加且工作電壓下降，這得益于晶圓制造技術(shù)的線寬縮小。電流和電壓需求只是整個電源設(shè)計的一個部分。數(shù)字IC的進步還提出了許多其他要求，包括快速瞬態(tài)響應(yīng)、低EMI、低噪聲/紋波以及有效運行以減少熱量。

傳統(tǒng)上，數(shù)字IC采用LDO穩(wěn)壓器或基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器控制器以及板外功率器件供電。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(tǒng)方法不再能勝任此任務(wù)。ADI公司新一代的單片式電源則完全能夠勝任，這些產(chǎn)品包括LTC3310S、LTC3309A、LTC3308A和LTC3307A，分別支持10 A、6 A、4 A和3 A。這些高功率密度的Silent Switcher和Silent Switcher 2降壓型穩(wěn)壓器采用高散熱效率、緊湊的倒裝芯片層壓式封裝，并具有多種特性組合，可滿足多種數(shù)字IC電源問題的需求。

作者簡介

Steve Knoth是ADI公司電源部門的高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理。他負責所有電源管理集成電路(PMIC)產(chǎn)品、低壓差(LDO)穩(wěn)壓器、電池充電器、電荷泵、基于電荷泵的發(fā)光二極管驅(qū)動器、超級電容器充電器和低壓單片開關(guān)穩(wěn)壓器。Steve從1990年起在Micro Power Systems、ADI公司和Micrel Semiconductor擔任過多種營銷和產(chǎn)品工程職位，之后于2004年再次加入ADI公司。他于1988年獲得圣何塞州立大學電氣工程學士學位，并于1995年獲得該大學物理學碩士學位。2000年，Steve還獲得了鳳凰城大學技術(shù)管理碩士學位(MBA)。除了與孩子們一起享受美好時光之外，Steve還是一位狂熱的音樂愛好者，并喜歡玩彈球/街機游戲或肌肉車，以及購買、出售、收藏古董玩具和電影/體育/汽車紀念品。