用于信號和數據處理電路的低噪聲、高電流、緊湊型DC-DC轉換器解決方案

作者簡(jiǎn)介：Dong Wang，畢業(yè)于浙江大學(xué)，獲得電氣工程博士學(xué)位。他于2013年加入凌力爾特（注：已被ADI并購）。目前為非隔離式單芯片降壓轉換器提供應用支持。他對電源管理解決方案和模擬電路有著(zhù)廣泛的興趣，包括高頻電源轉換、分布式電源系統、功率因數校正技術(shù)、低壓高電流轉換技術(shù)、高頻磁集成以及轉換器的建模和控制。

0   引言

現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）、片上系統（SoC）和微處理器等數據處理IC 在電信、網(wǎng)絡(luò )、工業(yè)、汽車(chē)、航空電子和國防系統領(lǐng)域的應用不斷擴大。這些系統的一個(gè)共同點(diǎn)是處理能力不斷提高，導致原始功率需求相應增加。設計人員很清楚高功率處理器的熱管理問(wèn)題，但可能不會(huì )考慮電源的熱管理問(wèn)題。與晶體管封裝處理器類(lèi)似，當低內核電壓需要高電流時(shí)，熱問(wèn)題在最差情況下不可避免——這是所有數據處理系統的總體電源趨勢。

1   DC-DC轉換器需求概述：EMI、轉換比率、大小和散熱考慮

通常，FPGA/SoC/ 微處理器需要多個(gè)電源軌，包括用于外圍和輔助電源的5 V、3.3 V 和1.8 V，用于DDR4 和LPDDR4 的1.2 V 和1.1 V，以及用于處理核心的0.8 V。產(chǎn)生這些電源軌的DC-DC 轉換器通常從電池或中間直流母線(xiàn)獲取12 V 或5 V 輸入電壓。為了將這些電源直流電壓降至處理器所需的更低電壓，就要選用開(kāi)關(guān)模式降壓轉換器，因為其在大降壓比時(shí)效率高。開(kāi)關(guān)模式轉換器有數百種類(lèi)型，但很多都可分為控制器（外部MOSFET）或單片穩壓器（內部MOSFET）。我們先看前者。

2   傳統控制器解決方案可能不符合要求

傳統開(kāi)關(guān)模式控制器IC 驅動(dòng)外部MOSFET，包含外部反饋控制環(huán)路補償元件。由此產(chǎn)生的轉換器效率很高且功能多樣，同時(shí)提供高功率，但所需的分立元件數量使得設計相對復雜且難以?xún)?yōu)化。外部開(kāi)關(guān)也會(huì )限制開(kāi)關(guān)速度，在空間寶貴的情況下這是一個(gè)問(wèn)題，比如在汽車(chē)或航空電子設備環(huán)境中，因為較低的開(kāi)關(guān)頻率會(huì )導致整個(gè)元件體積較大。

另一方面，單片穩壓器則可以極大地簡(jiǎn)化設計。本文深入討論整體解決方案，首先介紹如何減小尺寸，同時(shí)改善EMI。

3   不要忽視最小導通和關(guān)斷時(shí)間

另一個(gè)重要考慮因素是轉換器的最小導通和關(guān)斷時(shí)間，或其在從輸入電壓降至輸出電壓的占空比下運行的能力。降壓比越大，所需最小導通時(shí)間越低（也取決于頻率）。同樣，最小關(guān)斷時(shí)間對應于壓差：在輸出電壓不再受支持之前輸入電壓能降到多低。雖然增加開(kāi)關(guān)頻率的好處是整體解決方案更小，但最小導通和關(guān)斷時(shí)間會(huì )設置工作頻率的上限?？傊?，這些值越低，在設計小尺寸和高功率密度時(shí)余地就越多。

4   注意真實(shí)的EMI性能

其他噪聲敏感器件要安全運行，還需要具備出色的EMI 性能。在工業(yè)、電信或汽車(chē)應用中，電源設計的一個(gè)重點(diǎn)是最大限度地減少EMI。為了使復雜的電子系統能夠協(xié)同工作，不因EMI 重疊而產(chǎn)生問(wèn)題，采用了嚴格的EMI 標準，如CISPR 25 和CISPR 32 輻射EMI 規范。為了滿(mǎn)足這些要求，傳統電源方法通過(guò)減慢開(kāi)關(guān)邊緣和降低開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減少EMI，前者降低了效率，提高了散熱，而后者降低了功率密度。

降低的開(kāi)關(guān)頻率還可能違背CISPR 25 標準中的530 kHz 至1.8 MHz AM 頻段EMI 要求?？梢圆捎脵C械減緩技術(shù)來(lái)降低噪聲水平，包括復雜、大尺寸的EMI 濾波器或金屬屏蔽，但這些技術(shù)不但增加了大量成本，而且使電路板空間、元件數量和裝配復雜性增加，并進(jìn)一步使熱管理和測試復雜化。這些策略都不能滿(mǎn)足小尺寸、高效率和低EMI 的要求。

5   減小尺寸，同時(shí)改善EMI、熱性能和效率

很明顯，電源系統設計已變得十分復雜，這給系統設計人員帶來(lái)了沉重的負擔。為了減輕這種負擔，一個(gè)好的策略是尋找具有同時(shí)解決許多問(wèn)題功能的電源IC 解決方案：降低電路板的復雜性，高效率地工作，最大限度地減少散熱，并產(chǎn)生低EMI。支持多個(gè)輸出通道的功率IC 可進(jìn)一步簡(jiǎn)化設計和生產(chǎn)。

開(kāi)關(guān)集成在封裝中的單片電源IC 可實(shí)現其中多個(gè)目標。例如，圖1 所示為完整的雙路輸出解決方案板，說(shuō)明了單片穩壓器的緊湊簡(jiǎn)單。此處使用的IC 中的集成MOSFET和內置補償電路只需要幾個(gè)外部元件。此解決方案的總尺寸僅為22 mm × 18 mm，部分通過(guò)相對較高的2 MHz 開(kāi)關(guān)頻率實(shí)現。

圖1 具有出色EMI性能的緊湊型、高開(kāi)關(guān)頻率、高效率解決方案

此電路板的原理圖如圖2 所示。在此解決方案中，轉換器使用LT8652S 的兩個(gè)通道，在2 MHz 的頻率下運行，并在8.5 A 下產(chǎn)生3.3 V 電壓，在8.5 A 下產(chǎn)生1.2 V 電壓?？奢p松修改此電路以產(chǎn)生包括3.3 V和1.8 V、3.3 V 和1 V 等在內的輸出組合?；蛘?，為了利用LT8652S 的寬輸入范圍，LT8652S 可用作二級轉換器，再使用12 V、5 V 或3.3 V 前置穩壓器，以提高總效率和功率密度性能。由于高效率和出色的熱管理，LT8652S 可同時(shí)為每個(gè)通道提供8.5 A，17 A用于并行輸出，高達12 A 用于單通道操作。借助3 V至18 V 輸入范圍，該器件可覆蓋FPGA/SoC/ 微處理器應用的大多數輸入電壓組合。

圖2 使用LT8652S的兩個(gè)通道的雙路輸出、2 MHz、3.3 V/8.5 A和1.2 V/8.5 A應用

6   雙路輸出、單片穩壓器的性能

圖3 顯示了圖1 所示解決方案的測量效率。對于單通道操作，在輸入電壓為12 V 時(shí)，該解決方案的3.3 V 電源軌的峰值效率達到94%，1.2 V 電源軌的峰值效率達到87%。對于雙通道操作，LT8652S在12 V 輸入電壓時(shí)每個(gè)通道達到90% 的峰值效率，在8.5 A 負載電流時(shí)每個(gè)通道達到86% 的全負載效率。由于關(guān)斷時(shí)間跳過(guò)功能，LT8652S 的延長(cháng)占空比接近100%，使用最低輸入電壓范圍調節輸出電壓。20 ns 典型最小導通時(shí)間甚至使其可在高開(kāi)關(guān)頻率下操作穩壓器，直接從12 V 電池或直流母線(xiàn)生成小于1 V 的輸出電壓——最終減少整體解決方案尺寸和成本，同時(shí)避免了AM 頻段。具有集成旁路電容的Silent Switcher^?2 技術(shù)可防止可能出現的布局或生產(chǎn)問(wèn)題，從而避免影響出色的臺式EMI 和效率性能。

圖3 具有2 MHz開(kāi)關(guān)頻率的單路和雙路輸出效率

7   高電流負載的差分電壓檢測

對于高電流應用，每一英寸PCB 線(xiàn)路都會(huì )導致大幅壓降。對于現代核心電路中需要極窄電壓范圍的典型低電壓、高電流負載，壓降會(huì )導致嚴重的問(wèn)題。LT8652S 提供差分輸出電壓檢測功能，允許客戶(hù)創(chuàng )建開(kāi)爾文連接，以實(shí)現輸出電壓檢測和直接從輸出電容進(jìn)行反饋。它可以校正最高±300 mV 的輸出接地線(xiàn)路電位。圖4 顯示了LT8652S 利用差分檢測功能對兩個(gè)通道進(jìn)行的負載調整。

圖4 LT8652S使用差分檢測功能負載調整

8   監控輸出電流

在一些高電流應用中，必須收集輸出電流信息來(lái)進(jìn)行遙測和診斷。此外，根據工作溫度限制最大輸出電流或降低輸出電流可防止損壞負載。因此，需要進(jìn)行恒壓、恒流操作以精確調節輸出電流。LT8652S 使用IMON 引腳監控并減少負載的有效調節電流。

當IMON 調節負載設置電流時(shí)，可根據IMON 和GND 之間的電阻來(lái)配置IMON 以減小此調節電流。負載/ 電路板溫度降額可使用正溫度系數熱敏電阻來(lái)設置。當電路板/ 負載溫度上升時(shí)，IMON 電壓增加。為了減小調節電流，將IMON 電壓與內部1 V 基準電壓進(jìn)行比較以調節占空比。IMON 電壓可低于1 V，這樣就不會(huì )產(chǎn)生影響。圖5 顯示了激活I(lǐng)MON 電流環(huán)路前后的輸出電壓和負載電流曲線(xiàn)。

圖5 LT8652S輸出電壓和電流曲線(xiàn)

9   低電磁輻射（EMI）

為了使復雜的電子系統能夠工作，對單個(gè)元件解決方案應用了嚴格的EMI 標準。為了在多個(gè)行業(yè)中保持一致性，廣泛采用了各種標準，如CISPR 32 工業(yè)標準和CISPR 25 汽車(chē)標準。為了獲得出色的EMI 性能，LT8652S 在EMI 消除設計中采用了領(lǐng)先的Silent Switcher 2 技術(shù)，并使用集成環(huán)路電容以盡量減少有噪天線(xiàn)尺寸。加上集成MOSFET 和小尺寸，LT8652S解決方案可提供出色的EMI 性能。圖6 顯示了圖1 所示LT8652S 標準演示板的EMI 測試結果。圖6a 顯示了峰值檢測器的CISPR 25 輻射EMI 結果，圖6b 顯示了CISPR 32 輻射EMI 結果。

圖6 圖1應用電路的輻射EMI測試結果。V_IN = 14 V，V_OUT1 = 3.3 V/8.5 A，V_OUT2 = 1.2 V/8.5 A

10   可獲得更大電流和更好熱性能的并聯(lián)操作

隨著(zhù)數據處理速度的飆升和數據量的倍增，為滿(mǎn)足這些需求，FPGA 和SoC 的能力也隨之擴展。電源需要功率，且電源應保持功率密度和性能。然而，不能為了增加功率密度而失去簡(jiǎn)單性和穩健性的優(yōu)點(diǎn)。對于要求超過(guò)17 A 電流能力的處理器系統，可將多個(gè)LT8652S 并聯(lián)且錯相運行。

圖7 顯示了兩個(gè)并聯(lián)的轉換器可在1 V 時(shí)提供34 A 輸出電流。通過(guò)將U1 的CLKOUT 連接至U2 的SYNC，使主單元時(shí)鐘與從單元同步。由此產(chǎn)生的每通道90°相位差減少了輸入電流紋波，并將熱負載擴散到電路板上。

為確保在穩定狀態(tài)和啟動(dòng)期間更好的均流，將VC、FB、SNSGND 和SS 連接在一起。建議使用開(kāi)爾文連接以獲得精確的反饋和抗噪性能。在接地引腳附近將盡可能多的熱通孔放置到底層，以改善熱性能。輸入熱回路的陶瓷電容應靠近VIN 引腳放置。

由于駕駛條件可能發(fā)生劇烈、頻繁和快速變化，SoC 必須及時(shí)適應快速變化的負載，因此，汽車(chē)SoC施加的負載瞬態(tài)要求可能很難滿(mǎn)足。外圍電源的負載電流壓擺率達100 A/μs，核心電源的壓擺率甚至更高，這是很常見(jiàn)的。然而，在快速負載電流壓擺率下，必須將電源輸出的電壓瞬變最小化。>2 MHz 的快速開(kāi)關(guān)頻率可快速恢復瞬變，且輸出電壓偏移最小。圖7 顯示了利用快速開(kāi)關(guān)頻率和穩定動(dòng)態(tài)環(huán)路響應的正確環(huán)路補償元件值。在電路板布局中，最大限度地減少電路輸出電容到負載的線(xiàn)路電感也至關(guān)重要。

圖7 適用于SoC應用的4相、1 V/34 A、2 MHz解決方案

圖8 圖7電路的負載瞬態(tài)響應

11   結論

FPGA、SoC 和微處理器的處理能力不斷提高，原始功率需求也相應增加。隨著(zhù)所需功率電軌數量及其承載能力的增加，必須考慮設計小型電源系統，并加快系統性能。LT8652S 是電流模式、8.5 A、18 V 同步Silent Switcher 2 降壓穩壓器，輸入電壓范圍為3 V 至18 V，適用于從單節鋰離子電池到汽車(chē)輸入的輸入源應用。

LT8652S 的工作頻率范圍為300 kHz ～ 3 MHz，使設計人員可盡量減少外部元件尺寸并避免關(guān)鍵頻段，如調頻廣播。Silent Switcher 2 技術(shù)可保證出色的EMI性能，既不會(huì )犧牲開(kāi)關(guān)頻率和功率密度，也不會(huì )犧牲開(kāi)關(guān)速度和效率。Silent Switcher 2 技術(shù)還在封裝中集成了所有必要的旁路電容，可最大限度地減少布局或生產(chǎn)可能引起的意外EMI，從而簡(jiǎn)化了設計和生產(chǎn)。

Burst Mode^?（突發(fā)工作模式）操作將靜態(tài)電流減少到只有16 μA，同時(shí)使輸出電壓紋波保持在低值。4 mm × 7 mm LQFN 封裝和極少數外部元件可確保外形緊湊，同時(shí)盡量減少解決方案成本。LT8652S 的24 mΩ/8 mΩ 開(kāi)關(guān)提供超過(guò)90% 的效率，而可編程欠壓閉鎖（UVLO）可優(yōu)化系統性能。輸出電壓的遠程差分檢測在整個(gè)負載范圍內都保持高精度，同時(shí)不受線(xiàn)路阻抗的影響，從而最大限度地降低外部變化造成負載損壞的可能性。其他功能包括內部/ 外部補償、軟啟動(dòng)、頻率折返和熱關(guān)斷保護。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）