小尺寸高功率密度的電源實(shí)現(xiàn)
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本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202003/410581.htm
復(fù)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(fèi)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(dāng)前全球市場規(guī)模預(yù)估超過18億美元，預(yù)計(jì)該市場在2018年至2025年期間年增長率為10.87%，將達(dá)到37億美元。作為該市場最大的組成部分之一，預(yù)計(jì)FPGA的市場規(guī)模到2025年底將達(dá)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(hào)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(jìn)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(jìn)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(yù)防由人為錯(cuò)誤而引起的災(zāi)難。同樣，政府規(guī)定的安全功能（諸如防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、穩(wěn)定性控制和電子控制的獨(dú)立懸掛系統(tǒng)等）也需要FPGA來發(fā)揮作用。
在消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域，對物聯(lián)網(wǎng)(IoT)功能、復(fù)雜的圖形引擎功能和機(jī)器對機(jī)器(M2M)功能的需求迫切需要先進(jìn)的數(shù)字IC。海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、云計(jì)算中心以及光網(wǎng)絡(luò)模塊的擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)推動(dòng)了對FPGA和數(shù)字IC的需求。
這些數(shù)字IC功能強(qiáng)大，但要求嚴(yán)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(dòng)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?yàn)閿?shù)字IC有效供電，兼具低噪聲和高效率，同時(shí)還最大限度地降低了空間需求。
圖2.4個(gè)LTC3310S單片式穩(wěn)壓器并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)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(shí)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(jì)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(fù)載電流下高效運(yùn)行，但它們需要多個(gè)外部元件（如電感、電容和FET）才能運(yùn)行；而這些元件可能會(huì)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(gè)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?yàn)樗鼈冎恍枰獌蓚€(gè)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(fù)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(dǎo)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(jì)挑戰(zhàn)
摩爾定律自1965年問世以來，其遠(yuǎn)見性和有效性一再得到驗(yàn)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(jì)算機(jī)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(jì)算數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)流量；這些系統(tǒng)還會(huì)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(dǎo)航、自動(dòng)駕駛功能甚至發(fā)動(dòng)機(jī)控制。于是，系統(tǒng)的電流消耗和相應(yīng)的總功耗都會(huì)增加。因此，需要先進(jìn)的封裝和內(nèi)部功率級的創(chuàng)新設(shè)計(jì)將熱量驅(qū)散出功率IC，同時(shí)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?yàn)楝F(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)具有多個(gè)電源軌，其中噪聲靈敏度是設(shè)計(jì)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(huì)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(yán)苛的規(guī)范之一。
收發(fā)器速率越高（例如在FPGA中），導(dǎo)致電流水平越高，這是由精細(xì)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(fù)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(jì)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(dǎo)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(yán)格控制開關(guān)柵極電壓，大大縮短了死區(qū)時(shí)間，即使在高頻率下也可以實(shí)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(gè)電源引腳和接地引腳以及帶有銅(Cu)柱的耐熱性能增強(qiáng)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(shí)間設(shè)計(jì)，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(yùn)行，以實(shí)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(shí)現(xiàn)高效率和低功率損耗
? 設(shè)計(jì)簡單，以縮短設(shè)計(jì)周期并簡化認(rèn)證與測試
? 輸出紋波極低
? 快速瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)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(dá)5 MHz的頻率下實(shí)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(gè)器件直接并聯(lián)，以提供高達(dá)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(dǎo)通電阻MOSFET可提供高達(dá)10 A的連續(xù)負(fù)載電流，且熱降額極少。0.5 V至VIN的輸出電壓范圍非常適合負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用，比如高電流、低電壓的DSP/FPGA/GPU/ASIC設(shè)計(jì)。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(jì)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(dǎo)通時(shí)間可實(shí)現(xiàn)高頻率下的大降壓比，并且當(dāng)輸入與輸出電壓值接近時(shí)，100%占空比操作可提供低壓差性能。工作頻率可同步至一個(gè)外部時(shí)鐘。LTC3310S的總體基準(zhǔn)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(hào)、精準(zhǔn)使能門限、輸出過壓保護(hù)、熱停機(jī)、芯片溫度監(jiān)視器、可編程軟啟動(dòng)、跟蹤、時(shí)鐘同步、模式選擇和輸出短路保護(hù)。
LTC3310S采用耐熱性能增強(qiáng)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(jì)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(shí)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(jì)和封裝技術(shù)，在2 MHz下能夠?qū)崿F(xiàn)>92%的效率，同時(shí)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(jìn)一步提高EMI，使其對PCB布局不敏感，從而可簡化設(shè)計(jì)并降低性能風(fēng)險(xiǎn)。
LTC3310S產(chǎn)品型號(hào)中的“S”代表它采用第二代Silent Switcher技術(shù)。IC集成了VIN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(shí)實(shí)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(bǔ)償，使IC能夠快速響應(yīng)瞬態(tài)階躍。外部補(bǔ)償元件使控制環(huán)路得以優(yōu)化，以實(shí)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(gè)很好的解決方案。Silent Switcher拓?fù)渑cSilent Switcher 2拓?fù)漕愃疲皇荲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(shí)現(xiàn)Silent Switcher的低EMI性能，需將外部VIN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(shí)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(dá)3 MHz，封裝尺寸為4mm2（LTC3309A的功率密度= 1.5A/mm2）。
圖7顯示了一個(gè)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(jì)可在高工作頻率下實(shí)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(dǎo)通電阻MOSFET可提供高達(dá)6 A的連續(xù)負(fù)載電流。0.5 V至VIN的輸出電壓范圍非常適合負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用，比如高電流/低電壓DSP/FPGA/GPU/ASIC參考設(shè)計(jì)。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(qiáng)制連續(xù)或跳脈沖模式（以實(shí)現(xiàn)低噪聲）或低紋波、低IQ突發(fā)模式（以在輕負(fù)載條件下實(shí)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(dǎo)通時(shí)間仍可實(shí)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(dāng)輸入與輸出電壓值相同時(shí)，100%占空比操作可提供低壓差性能。工作頻率可同步至一個(gè)外部時(shí)鐘?？傮w基準(zhǔn)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(hào)、內(nèi)部軟啟動(dòng)、精準(zhǔn)使能門限、輸出過壓與短路保護(hù)、熱停機(jī)和時(shí)鐘同步。
LTC3309A、LTC3308A和LTC3307A均為引腳兼容的器件，采用耐熱性能增強(qiáng)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(shí)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
供應(yīng)商 | ADI | |||
產(chǎn)品型號(hào) | LTC3307A | LTC3308A | LTC3309A | LTC3310S |
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) | 單個(gè)同步單片式 Silent Switcher | 單個(gè)同步單片式 Silent Switcher 2 | ||
VIN范圍 | 2.25 V至5.5 V | |||
VOUT范圍 | 0.5 V至VIN | |||
輸出電流 | 3 A | 4 A | 6 A | 10 A |
效率 | 92% | |||
開關(guān)頻率 | 1 MHz至3 MHz | 500 kHz至5 MHz | ||
控制模式 | 恒定頻率、峰值電流模式 | |||
室溫下的VREF精度 | ±0.2%/±1% | ±1% | ||
限流精度 | ±15% | ±9% | ||
最短導(dǎo)通時(shí)間 | 22 ns | 35 ns | ||
可否多相直接并聯(lián)？ | 否 | 可以，4相 | ||
IQ電源突發(fā)模式/無突發(fā) | 40 μA BM/1.3 mA | 1.3 mA | ||
封裝的Theta JA | 51°C/W | |||
解決方案尺寸 | 約20 mm2 | 47 mm2 | ||
封裝 | 2 mm × 2 mm × 0.74 mm 、12引腳LQFN | 3 mm × 3 mm × 0.94 mm 、18引腳LQFN | ||
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(gè)電源設(shè)計(jì)的一個(gè)部分。數(shù)字IC的進(jìn)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(yùn)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(fù)責(zé)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(dòng)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(dān)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(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位，并于1995年獲得該大學(xué)物理學(xué)碩士學(xué)位。2000年，Steve還獲得了鳳凰城大學(xué)技術(shù)管理碩士學(xué)位(MBA)。除了與孩子們一起享受美好時(shí)光之外，Steve還是一位狂熱的音樂愛好者，并喜歡玩彈球/街機(jī)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(jì)念品。
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