【導(dǎo)讀】在過(guò)去幾年中,多層陶瓷電容器(MLCC)的價(jià)格急劇上漲,跟蹤了汽車(chē),工業(yè),數(shù)據(jù)中心和電信行業(yè)中使用的電源數(shù)量的擴(kuò)展。陶瓷電容器用于輸出端的電源中,以降低輸出紋波,并控制由于高壓擺率負(fù)載瞬變引起的輸出電壓過(guò)沖和欠沖。輸入端需要陶瓷電容器進(jìn)行去耦和濾除EMI,因?yàn)樗鼈冊(cè)诟哳l下具有低ESR和低ESL。
在過(guò)去幾年中,多層陶瓷電容器(MLCC)的價(jià)格急劇上漲,跟蹤了汽車(chē),工業(yè),數(shù)據(jù)中心和電信行業(yè)中使用的電源數(shù)量的擴(kuò)展。陶瓷電容器用于輸出端的電源中,以降低輸出紋波,并控制由于高壓擺率負(fù)載瞬變引起的輸出電壓過(guò)沖和欠沖。輸入端需要陶瓷電容器進(jìn)行去耦和濾除EMI,因?yàn)樗鼈冊(cè)诟哳l下具有低ESR和低ESL。
為了提高工業(yè)和汽車(chē)系統(tǒng)的性能,需要將數(shù)據(jù)處理速度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí),越來(lái)越多的高功耗設(shè)備被擠入微處理器、CPU、片上系統(tǒng) (SoC)、ASIC 和 FPGA。這些復(fù)雜器件類(lèi)型中的每一種都需要多個(gè)穩(wěn)壓軌:通常,內(nèi)核為 0.8 V,DDR3 和 LPDDR4 分別為 1.2 V 和 1.1 V,外設(shè)和輔助組件分別為 5 V、3.3 V 和 1.8 V。降壓轉(zhuǎn)換器廣泛用于從電池或直流母線產(chǎn)生穩(wěn)壓電源。
例如,高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)在汽車(chē)中的普及大大提高了陶瓷電容器的使用率。隨著5G技術(shù)在電信領(lǐng)域的興起,需要高性能電源,陶瓷電容器的使用也將顯著增加。內(nèi)核電源電流已從幾安培增加到數(shù)十安培,對(duì)電源紋波、負(fù)載瞬態(tài)過(guò)沖/欠沖和電磁干擾 (EMI) 的控制非常嚴(yán)格,這些功能需要額外的電容。
在許多情況下,傳統(tǒng)的電源方法無(wú)法跟上變化的步伐。整體解決方案尺寸太大,效率太低,電路設(shè)計(jì)太復(fù)雜,物料清單(BOM)成本太高。例如,為了滿(mǎn)足快速負(fù)載瞬變的嚴(yán)格電壓調(diào)節(jié)規(guī)范,輸出端需要大量陶瓷電容器來(lái)存儲(chǔ)和源出負(fù)載瞬變產(chǎn)生的大量電流。輸出陶瓷電容器的總成本可以達(dá)到功率IC的幾倍。
較高的電源工作(開(kāi)關(guān))頻率可以降低瞬變對(duì)輸出電壓的影響,降低電容要求和整體解決方案尺寸,但較高的開(kāi)關(guān)頻率通常會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增加,從而降低整體效率。是否有可能避免這種權(quán)衡,并在高級(jí)微處理器、CPU、SoC、ASIC 和 FPGA 所需的非常高電流水平下滿(mǎn)足瞬態(tài)要求?為了考慮這個(gè)問(wèn)題,讓我們看一下SoC的20 V輸入至1 V/15 A輸出。
15 A 從 20 V 輸入
圖1顯示了適用于SoC和CPU電源應(yīng)用的1 MHz、1.0 V、15 A架構(gòu),其輸入典型值為12 V或5 V,可在3.1 V至20 V范圍內(nèi)變化。只需輸入和輸出電容器、一個(gè)電感器以及幾個(gè)小電阻器和電容器即可完成電源??梢暂p松修改該電路,以產(chǎn)生低至0.6 V的其他輸出電壓,例如1.8 V、1.1 V和0.85 V。輸出軌的負(fù)回路(V– 引腳)可實(shí)現(xiàn)對(duì)靠近負(fù)載的輸出電壓進(jìn)行遠(yuǎn)程反饋檢測(cè),從而最大限度地減少由電路板走線壓降引起的反饋誤差。
圖1所示的方法使用具有高性能集成MOSFET的穩(wěn)壓器。該特定穩(wěn)壓器是一款LTC7151S單片式降壓穩(wěn)壓器,它采用靜音開(kāi)關(guān) 2 架構(gòu)來(lái)簡(jiǎn)化 EMI 濾波器設(shè)計(jì)。采用 28 引腳、耐熱性能增強(qiáng)型 4 mm × 5 mm × 0.74 mm LQFN 封裝。通過(guò)谷值電流模式進(jìn)行控制,降低了輸出電容要求。內(nèi)置保護(hù)功能,以最大限度地減少外部保護(hù)組件的數(shù)量。
頂部開(kāi)關(guān)的最短導(dǎo)通時(shí)間僅為20 ns(典型值),能夠以非常高的頻率直接降壓至內(nèi)核電壓。熱管理功能可在輸入電壓高達(dá) 20 V 的情況下實(shí)現(xiàn)高達(dá) 15 A 的可靠和連續(xù)傳輸電流,無(wú)需散熱器或氣流,使其成為電信、工業(yè)、運(yùn)輸和汽車(chē)應(yīng)用中 SOC、FPGA、DSP、GPU 和微處理器的熱門(mén)選擇。該穩(wěn)壓器具有寬輸入范圍,可用作第一級(jí)中間轉(zhuǎn)換器,在5 V或3.3 V時(shí)支持高達(dá)15 A的電流,支持多個(gè)下游負(fù)載點(diǎn)或LDO穩(wěn)壓器。
圖1.適用于 SoC 和 CPU 的 1 MHz、15 A 降壓穩(wěn)壓器的原理圖和效率。
以最小的輸出電容滿(mǎn)足嚴(yán)格的瞬態(tài)規(guī)格
通常,輸出電容會(huì)進(jìn)行縮放,以滿(mǎn)足環(huán)路穩(wěn)定性和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的要求。對(duì)于為處理器內(nèi)核電壓提供服務(wù)的電源,這些規(guī)格尤其嚴(yán)格,在這些電源中,負(fù)載瞬態(tài)過(guò)沖和下沖必須得到很好的控制。例如,在負(fù)載階躍期間,輸出電容必須步進(jìn),瞬時(shí)提供電流以支持負(fù)載,直到反饋環(huán)路使開(kāi)關(guān)電流足以接管。通常,通過(guò)在輸出側(cè)安裝大量多層陶瓷電容器來(lái)抑制過(guò)沖和下沖,從而滿(mǎn)足快速負(fù)載瞬變期間的電荷存儲(chǔ)要求。
此外,將開(kāi)關(guān)頻率推高可以改善快速環(huán)路響應(yīng),但代價(jià)是開(kāi)關(guān)損耗增加。
還有第三種選擇:具有谷值電流模式控制的穩(wěn)壓器可以動(dòng)態(tài)改變穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)TON和TOOFF時(shí)間,幾乎可以瞬間滿(mǎn)足負(fù)載瞬變的需求。這樣可以顯著降低輸出電容,以滿(mǎn)足快速響應(yīng)時(shí)間。圖2顯示了LTC7151S靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器以8 A/μs壓擺率立即響應(yīng)4 A至12 A負(fù)載階躍的結(jié)果。LTC7151S的受控導(dǎo)通時(shí)間(COT)谷值電流模式架構(gòu)允許開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)脈沖在4 A至12 A負(fù)載階躍轉(zhuǎn)換期間壓縮。上升沿開(kāi)始后約1 μs,輸出電壓開(kāi)始恢復(fù),過(guò)沖和下沖峰峰值限制為46 mV。圖2a所示的三個(gè)100 μF陶瓷電容足以滿(mǎn)足典型的瞬態(tài)規(guī)格,如圖2b所示。圖2c顯示了負(fù)載階躍期間的典型開(kāi)關(guān)波形。
圖2.(a) 此 5 V 輸入至 1 V 輸出應(yīng)用以 2 MHz 運(yùn)行,輸出端需要最小電容,以便快速、干凈地響應(yīng) (b) 負(fù)載階躍以及 (c) 負(fù)載階躍期間的開(kāi)關(guān)波形。
3 MHz 時(shí)的高效率降壓適合狹小空間
使用高集成度穩(wěn)壓器可使 MOSFET、驅(qū)動(dòng)器和熱回路電容器保持緊密連接。這減少了寄生效應(yīng),并允許以非常窄的死區(qū)時(shí)間快速打開(kāi)/關(guān)閉開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通損耗大大降低。集成的熱回路去耦電容和內(nèi)置補(bǔ)償電路也消除了設(shè)計(jì)復(fù)雜性,從而最大限度地減小了解決方案的總尺寸。
如前所述,頂部開(kāi)關(guān)的最小值為20 ns(典型值),允許在高頻下進(jìn)行非常低的占空比轉(zhuǎn)換,使設(shè)計(jì)人員能夠利用超高頻工作(如3 MHz)來(lái)減小電感、輸入電容和輸出電容的尺寸和值。極其緊湊的解決方案適用于空間有限的應(yīng)用,例如汽車(chē)和醫(yī)療應(yīng)用中的便攜式設(shè)備或儀器。使用 LTC7151S 時(shí),不需要龐大的熱緩解組件,例如風(fēng)扇和散熱器,這得益于其高性能電源轉(zhuǎn)換,即使在非常高的頻率下也是如此。
圖3所示為5 V至1 V解決方案,工作在3 MHz開(kāi)關(guān)頻率。伊頓的小尺寸 100 nH 電感器與三個(gè) 100 μF/1210 陶瓷電容器相結(jié)合,為 FPGA 和微處理器應(yīng)用提供了超薄的緊湊型解決方案。效率曲線如圖3b所示。室溫下滿(mǎn)載時(shí)溫升約15°C。
圖3.5 V 輸入至 1 V/15 A 的原理圖和效率,f西 南部= 3 兆赫。
提高電磁干擾性能
滿(mǎn)足已發(fā)布的EMI規(guī)范,例如CISPR 22/CISPR 32傳導(dǎo)和輻射EMI峰值限值,應(yīng)用15 A可能意味著許多迭代電路板旋轉(zhuǎn),涉及解決方案尺寸、總效率、可靠性和復(fù)雜性的眾多權(quán)衡。傳統(tǒng)方法通過(guò)減慢開(kāi)關(guān)邊沿和/或降低開(kāi)關(guān)頻率來(lái)控制EMI。兩者都有不良影響,例如效率降低、最小開(kāi)關(guān)時(shí)間增加以及解決方案尺寸增大。暴力EMI抑制,如復(fù)雜而笨重的EMI濾波器或金屬屏蔽,大大增加了所需的電路板空間、元件和組裝成本,同時(shí)使熱管理和測(cè)試復(fù)雜化。
EMI可以通過(guò)多種方式降低,包括集成熱回路電容器,以最大限度地減少噪聲天線尺寸。LTC7151S 通過(guò)集成高性能 MOSFET 和驅(qū)動(dòng)器來(lái)保持低 EMI,從而使 IC 設(shè)計(jì)人員能夠生產(chǎn)出具有內(nèi)置最小開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴的器件。結(jié)果是,即使開(kāi)關(guān)邊沿具有高壓擺率,存儲(chǔ)在熱回路中的相關(guān)能量也受到高度控制,從而實(shí)現(xiàn)出色的EMI性能,同時(shí)最大限度地降低高工作頻率下的交流開(kāi)關(guān)損耗。
LTC7151S 已在 EMI 測(cè)試室中進(jìn)行了測(cè)試,并通過(guò)了 CISPR 22 / CISPR 32 傳導(dǎo)和輻射 EMI 峰值限制,前面有一個(gè)簡(jiǎn)單的 EMI 濾波器。圖4顯示了1 MHz、1.2 V/15 A電路的原理圖,圖5顯示了千兆赫茲?rùn)M向電磁(GTEM)電池的輻射EMI CISPR 22測(cè)試結(jié)果。
圖4.開(kāi)關(guān)頻率為1 MHz的1.2 V穩(wěn)壓器原理圖。
圖5.GTEM 中的輻射 EMI 超過(guò) CISPR 22 B 類(lèi)限制。
智能電子、自動(dòng)化和傳感器在工業(yè)和汽車(chē)環(huán)境中的激增推動(dòng)了電源所需的數(shù)量和性能要求。特別是低EMI,作為關(guān)鍵的電源參數(shù)考慮因素,以及對(duì)小解決方案尺寸、高效率、熱能力、魯棒性和易用性的通常要求,已經(jīng)越來(lái)越受到重視。借助集成穩(wěn)壓器,開(kāi)發(fā)人員可以在非常緊湊的環(huán)境中滿(mǎn)足嚴(yán)格的EMI要求。通過(guò)谷值電流模式控制和高頻操作,穩(wěn)壓器可以動(dòng)態(tài)改變TON和TOOFF時(shí)間,以近乎瞬時(shí)主動(dòng)支持負(fù)載瞬變,從而實(shí)現(xiàn)更小的輸出電容和快速響應(yīng)。最后,集成的 MOSFET 和熱管理可在高達(dá) 20 V 的輸入范圍內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定可靠地提供高達(dá) 15 A 的電流。
(作者:Zhongming Ye)
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