高功率密度系統(tǒng)需要大電流轉換器

作者/ Steve Knoth 凌力爾特公司(現(xiàn)隸屬 Analog Devices 公司)電源產品高級產品市場工程師

　　Steve Zhou 凌力爾特公司(現(xiàn)隸屬 Analog Devices 公司)電源產品高級設計工程師。

摘要：本文介紹了降壓型穩(wěn)壓器設計中需要注意的問題及面臨的新挑戰(zhàn)，并介紹了LTC7150S和LTC7130兩款滿足特定需求的降壓型變壓器。

引言

　　2016 年，不斷擴大的大電流、低壓數字 IC 市場規(guī)模達到了 92 億美元(數據來源：Intense Research 公司)。這類數字 IC 包括微控制器和微處理器(μC 和 μP)、可編程邏輯器件 (PLD)、數字信號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)和圖形處理器單元(GPU)。此外，其中一個較大的細分市場 —— 現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)IC ，2014 年，其市場規(guī)模為 39.2 億美元，預計到 2022 年將達到 72.3 億美元，從 2016 年到 2022 年，年復合增長率達 7.41%(數據來源：marketsandmarkets)。高功率密度數字 IC 幾乎已經進入了所有嵌入式系統(tǒng)，包括工業(yè)、通信、電信、服務器、醫(yī)療、游戲、消費類音頻 / 視頻和汽車等系統(tǒng)。在這些市場中，F(xiàn)PGA 正在使先進應用變?yōu)楝F(xiàn)實，例如，高級駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)和防撞系統(tǒng)等消除人為差錯的汽車應用。此外，政府要求的安全功能，例如防鎖剎車系統(tǒng)、穩(wěn)定性控制和電氣控制的獨立懸架系統(tǒng)都必須使用FPGA。在消費類電子產品領域，對物聯(lián)網(IoT)和機器至機器(M2M)通信的需求以及數據與服務器中心的增長，也是驅動 FPGA 市場增長的一些因素，需要存儲大量數據和進行云計算是數據和服務器中心增長的驅動因素。

　　這些基于高功率密度數字IC的系統(tǒng)對電源有一套獨特的要求。就目前這一代 FPGA 和 ASIC處理器而言，大電流、低電壓和快速瞬態(tài)響應相結合，對于給這些器件供電的電源提出了越來越嚴格的要求。這些數字IC很強大，但是從電源角度來看卻是不穩(wěn)定的。傳統(tǒng)上，用來給這類器件供電的一直是具單獨大功率 MOSFET 的高效率開關穩(wěn)壓器控制器，但是這類控制器有潛在的噪聲干擾、較慢的瞬態(tài)響應和布局限制問題。因此，近幾年來，最大限度減少熱量的低壓差穩(wěn)壓器(LDO)一直被作為替代解決方案使用，但是這類穩(wěn)壓器也不是沒有其自身的一些限制。不過，由于這一領域最新出現(xiàn)的產品創(chuàng)新，發(fā)展趨勢正在發(fā)生變化。較新型的大功率單片開關穩(wěn)壓器不再需要進行性能折衷，并正在迅速得到采用。

開關穩(wěn)壓器、充電泵及 LDO

　　低電壓、大電流降壓型轉換和調節(jié)可以通過各種方法和各種設計折衷來實現(xiàn)。就剛起步的人而言，開關穩(wěn)壓器控制器以高效率運行，在很寬的電壓范圍內提供大電流，但是需要諸如電感器和電容器(以及在控制器情況下的 FET)等外部組件才能運行。無電感器充電泵(或開關電容器電壓轉換器)也可用來實現(xiàn)較低電壓的轉換，但是輸出電流能力受限，瞬態(tài)性能不佳，且與現(xiàn)行線性穩(wěn)壓器相比，需要更多外部組件。因此，在數字IC電源應用中，不常見到充電泵。相反，線性穩(wěn)壓器，尤其是LDO，就非常簡單，因為這類穩(wěn)壓器僅需要兩個外部電容器就可運行。然而，線性穩(wěn)壓器的功率也許會受限，這取決于該IC兩端的輸入至輸出電壓差大小和負載需要多大電流，以及封裝的熱阻特性。這就對線性穩(wěn)壓器進入數字IC供電領域造成了限制。

大電流單片降壓型轉換器的設計挑戰(zhàn)

　　晶片制造技術線寬不斷變窄，嚴格遵循了摩爾定律，因此要求數字 IC 以更低電壓運行。幾何尺寸更小的工藝允許在最終產品中集成更多需要大量功率的功能。例如，現(xiàn)代計算機服務器和通信路由系統(tǒng)需要更大的帶寬，以處理更多計算數據和互聯(lián)網流量。汽車有更多車載電子產品，以提供娛樂、導航、自助駕駛功能，甚至引擎控制。結果，系統(tǒng)電流消耗和所需的總功率增加了。因此，需要最先進的封裝和創(chuàng)新性內部電源級設計，以將電源 IC 中的熱量散出來，同時提供前所未有的大功率。

　　較大的電源抑制比(PSRR)和較低的輸出電壓噪聲或紋波需求是另外兩項需要考慮的挑戰(zhàn)。具有較大電源抑制比的器件能夠更容易地在輸入端濾除和抑制噪聲，從而產生干凈和穩(wěn)定的輸出。此外，在很寬的帶寬內具較低輸出電壓噪聲或較低輸出紋波的器件有利于給如今的新式低噪聲軌供電，在這類軌中，噪聲靈敏度是設計時需要考慮的主要因素。隨著對高端 FPGA 速度要求的提高，電源噪聲容限在不斷降低，以最大限度減少誤碼。就這類高速PLD而言，這類噪聲引起的數字故障極大地降低了有效數據吞吐速率。在大電流時，輸入電源噪聲顯然是一種重要但要求苛刻的性能規(guī)格。

　　較高的收發(fā)器速率(例如在 FPGA)決定了較大的電流，因為幾何尺寸很小的電路在切換時功耗較大。這類 IC 速度很快，可能在幾十至數百納秒內就將負載電流從接近零增大到幾安培，因此需要具有超快瞬態(tài)響應的穩(wěn)壓器。

　　隨著為電源穩(wěn)壓器保留的電路板面積越來越小，大家也日益熟知，具有較高開關頻率的單片開關穩(wěn)壓器減小了外部組件尺寸，因此也就減小了解決方案的總體尺寸，伴隨而來的折衷是，由于較高頻率時的開關損耗，效率有某種微小損失。不過，新一代單片開關穩(wěn)壓器提供一些獨特的功能，甚至在較高頻率時也能顯著降低開關損耗。也就是說，集成的高壓側和低壓側開關同步運行允許更好地控制其柵極電壓，這極大地縮短了死區(qū)時間，因此能夠以更高效率運行。

　　大電流單片開關穩(wěn)壓器的最大挑戰(zhàn)之一是其散熱能力，其熱量來自 IC 中產生的大量功耗。通過使用耐熱增強型球珊陣列(BGA)封裝，可以應對這一挑戰(zhàn)，在這種封裝中，大部分焊錫球都專門用于電源引腳(VIN、SW、GND)，以便熱量可以非常容易地從IC傳送到電路板中。電路板上連接到這些電源引腳的較大銅平面允許熱量更加均勻地散出。

新的大電流降壓型穩(wěn)壓器

　　要解決本文提到的這些問題，降壓型轉換器解決方案需要具有以下屬性：

　　? 較高的開關頻率 — 減小外部組件尺寸;

　　? 死區(qū)時間為零的設計 — 提高效率;

　　? 單片 — 內置功率器件以實現(xiàn)尺寸更小的解決方案;

　　? 同步運行 — 效率更高和功耗更低;

　　? 簡單的設計 — 需要的外部組件最少;

　　? 非常低的輸出紋波;

　　? 快速瞬態(tài)響應;

　　? 在寬輸入 / 輸出電壓范圍內運行;

　　? 能夠提供很大的輸出電流;

　　? 出色的熱性能;

　　? 緊湊的占板面積。

　　為了滿足這些特定需求，凌力爾特推出了 LTC71xx 系列單片大電流降壓型穩(wěn)壓器。這個系列的最新成員 LTC7150S是一款 20V/20A 單片同步降壓型轉換器，具差分 VOUT 遠端檢測。該器件獨特的可鎖相受控接通時間、恒定頻率電流模式架構減輕了補償負擔，非常適合以高頻運行，同時需要快速瞬態(tài)響應的高降壓比應用。LTC7150S 運用 Silent Switcher? 2 技術，包括集成的旁路電容器，以在高頻時提供具卓越 EMI 性能的高效率解決方案。多達 12 個相位的多相運行允許直接并聯(lián)多個器件，以通過較小的輸入和輸出電容提供更大的電流。VOUT 遠端檢測確保負載端電壓調節(jié)是準確的，不受負載電流或電路板布局的影響。其3.1V至20V的寬輸入范圍支持多種應用，包括大多數中間總線電壓，而且與很多電池類型兼容。集成的N溝道MOSFET在0.6V至VIN輸出電壓范圍內以最小的熱降額提供高達20A的連續(xù)負載電流，非常適合負載點應用，例如大電流/低電壓 DSP/FPGA/ASIC參考設計。其他應用包括電信/數據通信系統(tǒng)、分布式電源架構和一般的高功率密度系統(tǒng)。圖1顯示了一個典型的應用原理圖。

　　LTC7150S的25ns接通時間允許在高頻運行時實現(xiàn)高降壓比電源。工作頻率在400kHz至3MHz范圍內，并可同步至一個外部時鐘。在 –40℃至125℃工作結溫范圍內，LTC7150S的總差分輸出電壓準確度為±1%，其他特點包括高速差分遠端檢測放大器、PHMODE 相位選擇器引腳、準確的1.2V RUN引腳門限、VIN過壓保護、電源良好標記和可編程軟啟動/跟蹤。

　　LTC7150S采用耐熱增強型42引線6mm x 5mm x 1.3mm BGA封裝，提供RoHS無鉛和有鉛SnPb(63/37)涂層。E級和I級版本規(guī)定在–40℃至125℃結溫范圍內運行。

高效率、更低EMI和快速瞬態(tài)響應

　　器件型號LTC7150S集成了用于VIN和BOOST的陶瓷電容器，以保持所有快速AC電流環(huán)路都很小，因此改善了EMI性能。此外，該器件允許更快速的開關切換邊沿，這在高開關頻率時極大地提高了效率。

　　LTC7150S獨特的受控接通時間架構允許該IC快速響應瞬態(tài)階躍。這是在瞬態(tài)階躍時完成的 —— 開關頻率自帶加速能力，這就允許電感器電流更好地追隨誤差放大器(ITH)輸出的意愿。這允許更積極地設定ITH補償，從而可增大環(huán)路總帶寬。

　　LTC7150S允許在高頻時實現(xiàn)高效率，這是因為該器件有一個關鍵特點，即顯著縮短了死區(qū)時間。該IC內部的伺服環(huán)路在SW上升沿之前將死區(qū)時間鎖定為<1ns。死區(qū)時間縮短最大限度減少/ 消除了對底部開關體二極管導通的需求。在頂部開關接通時，這從根本上消除了底部開關體二極管反向恢復的影響。因這個特點而使功耗相當顯著地降低了。

　　更低的紋波電流可降低電感器的磁芯損耗、輸出電容器的ESR損耗和輸出電壓紋波。在低頻、小紋波電流時可實現(xiàn)高效率運行。不過，實現(xiàn)這一點需要一個大型電感器。在組件尺寸、效率和工作頻率之間需要折衷。圖2中的曲線顯示了LTC7150S的高效率性能。

　　這種獨特的恒定頻率 / 受控接通時間架構非常適合以高頻運行的高降壓比應用，同時需要快速瞬態(tài)響應。圖3顯示了LTC7150S的瞬態(tài)響應性能。

超低 DCR 電流檢測應用

　　LTC7130是一款恒定頻率、峰值電流模式控制、同步降壓型DC/DC轉換器，具溫度補償的超低DCR電流檢測和時鐘同步功能。該器件獨特的架構減輕了補償負擔，能夠直接并聯(lián)以實現(xiàn)更強的輸出電流能力。LTC7130還提高了電流檢測信號的信噪比，從而允許使用DC電阻非常低的功率電感器，以在大電流應用中最大限度提高效率。這個特點還減少了低DCR應用中常見的開關抖動，并提高了電流限制的準確度。LTC7130的4.5V至20V輸入范圍支持多種應用，包括大多數中間總線電壓，并與很多電池類型兼容。集成的N溝道MOSFET在0.6V至5.5V的輸出電壓范圍內可提供高達20A的連續(xù)負載電流，從而使該器件非常適合負載點應用，例如大電流/低壓DSP/FPGA/ASIC參考設計。其他應用包括電信/數據通信系統(tǒng)、分布式電源架構和一般的高功率密度系統(tǒng)。圖4顯示了一個典型的應用電路。表1對 LTC7150S 和 LTC7130 的特點進行了比較。

結論

　　FPGA、微處理器等高性能數字IC的持續(xù)發(fā)展趨勢是，電流越來越大，相應的工作電壓越來越低，這是通過線寬日益變窄的晶片制造技術實現(xiàn)的。然而伴隨這些進步而來的是其他應用需求，在電源管理領域，這類需求包括需要快速瞬態(tài)響應、低噪聲/低紋波，以及高效率運行以最大限度減少熱量。傳統(tǒng)上，給這些數字IC供電一直用LDO或基于電感器的開關穩(wěn)壓器控制器和外置功率器件完成。不過，凌力爾特公司提供了采用高熱效率BGA封裝的新一代單片、大電流降壓型開關穩(wěn)壓器，以解決這些問題。這些產品包括LTC7150S和LTC7130，這兩款器件都具有獨特的功能，以解決多種應用為數字IC供電的問題。

　　本文來源于《電子產品世界》2017年第10期第27頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。