高功率密度数字IC呼唤新一代电源稳压器

复杂的高功率密度数字集成电路 (IC)，例如图形处理器单元 (GPU) 和现场可编程门阵列 (FPGA)，可以在各种功能丰富的电子环境中找到，包括汽车、医疗、电信、数据通信、工业、通信、游戏和消费类音频/视频。高功率密度的数字 IC 几乎已经渗透到每一个嵌入式系统中。

凭借这种市场渗透率，全球对大电流、低电压数字 IC 的需求呈爆炸式增长也就不足为奇了。目前的全球市场估计超过 18 亿美元，预计在 2018 年至 2025 年期间，这一数字将以每年 10.87% 的速度增长，达到 37 亿美元。

作为该市场的最大份额之一，FPGA 预计到 2025 年底将占 15.3 亿美元。数字 IC 市场的其余部分由 GPU、微控制器和微处理器、可编程逻辑器件 (PLD)、数字信号处理器 ( DSP)和专用集成电路(ASIC)。

FPGA 支持上述细分市场中的尖端应用。例如，在汽车应用中，高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 和防撞系统可防止人为错误造成的灾难。同样，政府规定的安全功能，如防抱死制动系统、稳定性控制和电子控制的独立悬架系统，也需要 FPGA 才能发挥作用。

这些数字 IC 功能强大，但也有个性，尤其是在电源要求方面。传统上，驱动大功率 MOSFET 的高效开关稳压器控制器已被用于为 FPGA 和 ASIC 供电，但这些基于控制器的电源方案存在潜在的噪声干扰问题、相对较慢的瞬态响应和布局限制。

开关稳压器与电荷泵与 LDO 稳压器

可以通过多种方法实现低电压、大电流降压转换和调节，每种方法都有自己的性能和设计权衡。开关稳压器控制器在宽电压范围内的高负载电流下具有高效率，但它们需要多个外部组件(如电感器、电容器和 FET)才能运行，并且它们可能是高频和低频噪声的来源。无电感电荷泵(或开关电容电压转换器)也可用于产生低电压，但输出电流能力有限，瞬态性能较差，并且需要多个外部组件。由于这些原因，电荷泵在数字 IC 电源应用中并不常见。

线性稳压器——尤其是 LDO 稳压器——很简单，因为它们只需要两个外部电容器即可工作。但是，它们可能会受到功率限制，具体取决于 IC 上输入至输出电压差的大小、负载需要多少电流以及封装的热阻特性。这无疑限制了它们为数字 IC 供电的能力。

单片降压转换器设计挑战

自 1965 年首次亮相以来，摩尔定律已被证明是有远见且有效的。晶圆制造技术的线宽不断减小，从而将数字 IC 电压推低。更小的几何工艺允许在最终产品中更高地集成更多耗电功能。

例如，现代计算机服务器和光通信路由系统需要更高的带宽来处理更多的计算数据和互联网流量;这些系统也会产生大量热量，因此需要高效的 IC。汽车拥有更多用于娱乐、导航、自动驾驶功能甚至发动机控制的车载电子设备。因此，系统的电流消耗和所需的相关总功率都会增加。因此，需要最先进的封装和创新的内部功率级设计来将热量从功率 IC 中排出，同时提供前所未有的功率。

高电源抑制比 (PSRR) 和低输出电压噪声或纹波是重要的考虑因素。具有高电源抑制的设备可以过滤和抑制输入端的噪声，从而产生干净稳定的输出。此外，需要在宽带宽或低输出纹波上具有低输出电压噪声的电源解决方案——现代数字系统有多个电源轨，其中噪声敏感性是主要的设计考虑因素。

随着高端 FPGA 速度要求的提高，电源噪声容限会降低，以尽量减少误码。噪声引起的数字故障会大大降低这些高速 PLD 的有效数据吞吐速度。大电流下的输入电源噪声是对电源要求更高的规格之一。

例如，由于精细几何电路开关的高功耗，FPGA 中更高的收发器速度决定了高电流水平。这些 IC 速度很快。它们可以在几十到几百纳秒内将负载电流从接近零循环到几安培，需要具有超快瞬态响应的稳压器。

随着为电源稳压器保留的电路板面积不断减少，许多系统设计人员转向以快速开关频率运行的单片开关稳压器，以减小外部组件的尺寸和总解决方案的尺寸——接受因开关损耗而导致的一些效率损失的权衡在更高的频率。

新一代单片开关稳压器消除了这种权衡。这些新型稳压器具有集成高侧和低侧开关的同步操作，允许严格控制开关栅极电压，大大减少死区时间，即使在高频下也能实现更高的效率。

很明显，用于高性能数字 IC 的降压转换器解决方案必须具备以下属性：

快速开关频率以最大限度地减小外部元件的尺寸

零死区时间设计可最大限度地提高高频效率

用于更小的解决方案尺寸的单片芯片板载功率器件

多相操作，以实现高输出电流和降低纹波的并行操作

低 EMI 可满足低系统噪声要求

同步运行以实现高效率和最小功率损耗

易于设计以简化设计周期、认证和测试

极低的输出纹波

快速瞬态响应时间

在宽输入/输出电压范围内工作

高输出电流能力

优良的热性能

占地面积小

传统上，数字 IC 由 LDO 稳压器或基于电感的开关稳压控制器和板外电源设备供电。随着电源性能和空间要求的提高，在许多情况下，这些传统方法无法满足这些要求。

以 ADI 的新一代单片电源为例，包括分别支持 10A、6A、4A 和 3A 的 LTC3310S、LTC3309A、LTC3308A 和 LTC3307A，都可以胜任这项任务。这些高功率密度的 Silent Switcher 和 Silent Switcher 2 降压稳压器采用热效率高、紧凑的倒装芯片层压封装，并提供各种功能集以满足各种数字 IC 电源问题的要求。

图 1 四个 LTC3310S 单片稳压器并联，形成一个四相 40A 降压稳压器。

表 1 比较了 LTC33xx Silent Switcher 和 Silent Switcher 2 系列的特性。

表 1：故障模式和支持的范围。

结论

高性能数字 IC(如 GPU、FPGA 和微处理器)的趋势正在迅速提高电流需求，同时由于晶圆制造技术的线宽缩小而导致工作电压下降。电流和电压需求只是电源图的一部分。数字 IC 的进步伴随着许多其他要求，包括快速瞬态响应、低 EMI、低噪声/纹波和高效运行以最大限度地减少热量。

审核编辑：汤梓红