纤巧、高效率单片式稳压器为先进的SoC和微处理器供电

作者：Ying Cheng and Zhongming Ye

汽车、电信、数据通信和工业系统继续采用越来越多的高级 SoC（片上系统）、FPGA 和微处理器解决方案。每一代 SoC 和 FPGA 都会随着高功耗组件的添加和数据处理速度的提高而扩展功耗预算，以支持电信、音频或视频数据的实时流。这些需求只能通过坚固耐用、易于使用、高效率、高功率密度和低电磁辐射的低压电源来满足。

SoC 和 FPGA 需要多种低压电源，包括 DDR 为 1.1 V、内核为 0.8 V 和 I/O 设备为 3.3 V/1.8 V。从宽范围的汽车电池或工业总线电压提供低于1 V的电压通常需要两个阶段：一个中间调节级到12 V或5 V，另一个到低电压。每个DC-DC转换都必须高效并通过EMI标准，以使整个电源系统能够满足苛刻的汽车、电信、数据通信和工业规范。

使用传统的降压稳压器可能很难满足尺寸、效率和EMI设计目标。低于1 V降压稳压器传统上依赖于体积庞大且EMI噪声大的PWM控制器和MOSFET。汽车和工业系统的需求意味着设备必须让位于更紧凑、具有更高电流能力、更高效率以及更重要的是卓越 EMI 性能的产品。线性功率™LTC7150S 和 LT8642S 系列中的单片式静音开关器 2 降压型稳压器专为满足具有高可靠性和稳健性的高级 SoC 电源需求而设计，同时满足 EMI、尺寸和热约束。

静音开关稳压器 2 架构可实现出色的 EMI 性能

使用传统的DC-DC控制器可能难以满足已发布的EMI标准，因此如果可能的话，EMI通常会预先解决。在系统设计和开发后期出现的EMI问题可能会在故障排除和重新设计方面花费大量金钱和时间。项目延误、市场损失和商业信誉受损的风险太大，不能听之任之。为了确保在整个电源设计过程中符合EMI标准，EMI抑制通常被优先考虑，有时甚至过度设计，而牺牲了其他理想的特性，即解决方案尺寸、总效率、可靠性和简单性。

传统方法通过减慢开关边沿和/或降低开关频率来控制EMI。例如，可以添加栅极电阻或缓冲器，以减慢开关边沿的导通或关断，并降低开关频率以降低EMI。然而，这些策略需要权衡取舍，包括增加最小导通时间、限制电压转换比和更大的解决方案尺寸。替代缓解技术（如笨重的EMI滤波器或金属屏蔽）大大增加了电路板空间成本，增加了元件数量和更高的装配复杂性，同时使热管理和测试进一步复杂化。这些策略都不能满足要求苛刻的SoC功率预算，即紧凑的尺寸、高效率和低EMI。

LT8642S是一款18 V/10 A降压单芯片静音开关稳压器2稳压器，采用4 mm×4 mm LQFN封装。图1显示了12 V至1.2 V/10 A LT8642S解决方案及其超低EMI结果。LT8642S仅采用一个铁氧体磁珠和输入电容器作为输入EMI滤波器，能够以充足的裕量满足严格的CISPR 25 5 Class 5辐射EMI规范（汽车行业广泛采用）。另一个流行的EMI规范是消费电子产品制造商经常使用的CISPR 32。LT8642S即使没有输入EMI滤波器，也能轻松满足CISPR 32 B类辐射EMI规范。

图1.采用LT8642S的超低EMI 1.2 V/10 A应用。

LTC7150S是同类产品中的首款20 A、高效率降压型稳压器，采用静音开关2技术，可最大限度降低电磁发射，从而大大简化了EMI滤波器的设计和布局，使其成为噪声敏感型环境的理想选择。ADI公司专有的静音开关2架构具有出色的EMI性能，同时最大限度地降低了单芯片稳压器的交流开关损耗。IC中包括热回路电容器。这与集成MOSFET相结合，可显著减小噪声天线尺寸并最大限度地降低EMI。

在非常快速的开关边沿上，开关节点振铃最小化，从而降低了高频噪声以及存储在热回路中的相关能量。此外，热回路一分为二，对称布局以实现EMI自消除。这为噪声敏感的汽车环境提供了安静的电源，其中强大的SoC用于高级驾驶辅助系统（ADAS）或自动驾驶系统。这也满足了电信、运输和工业系统的要求，在这些系统中，需要高效率、低噪声的电源来为下一代 SoC、CPU 和微处理器供电。

LTC7150S通过CISPR 25辐射EMI峰值限值，在前面安装了一个简单的EMI滤波器，如图2中的原理图所示，其中安装了一个简单的带有铁氧体磁珠的滤波器。图3显示了辐射EMI CISPR 25测试结果，它通过了CISPR 25 5类峰值限制。

图2.LTC7150S 内置 EMI 滤波器。

图3.LTC7150S 辐射 EMI 性能。

并联多个转换器以扩展输出电流

自动驾驶和自动泊车等高级功能需要更强大的 SoC 来实现实时流视觉或人工智能。同样，电信和大数据安装中的计算和服务器系统包括高性能SoC解决方案，这些解决方案需要比以往更多的功率。对于需要超过20 A电流能力的处理器系统，多个LTC7150S可以并联并异相运行。

LTC7150S 具有一种同步功能，该功能可实现与一个外部时钟的同步，而内部 PLL （锁相环） 则允许 LTC7150S 异相操作以实现多通道、多相操作以减小纹波。CLKOUT 信号可连接至后续 LTC7150S 的 MODE/SYNC 引脚，以对齐整个系统的频率和相位。多相操作在PHMODE引脚上实现。将PHMODE引脚连接到INTV抄送、SGND或浮动引脚在施加在MODE/SYNC引脚上的时钟与CLKOUT之间产生相位差;差异分别为 180°、120° 或 90°，分别对应于 2 相、3 相或 4 相操作。通过将每个 LTC7150S 的 PHMODE 引脚设置为不同的电压电平，总共 12 个通道可以彼此异相运行。

图4显示了两个并联的转换器，在1.2 V时提供40 A输出电流。通过将 U1 的 CLKOUT 连接到 U2 的模式/同步，来自主单元的时钟与从设备同步。主PHMODE引脚接地，从PHMODE引脚保持浮动状态。这导致两个通道之间的相位差为 180°，从而降低了输入电流纹波。为了确保在稳态和启动期间更好的均流，ITH、FB 和 TRACK/SS 连接在一起。本地 RT电阻是必需的，不应连接在一起。建议使用开尔文连接以获得准确的反馈和抗噪性。在底层接地引脚附近放置尽可能多的电源过孔，以提高热性能。输入热回路的陶瓷帽应靠近 V 放置在引 脚。

图4.并联两个LTC7150S稳压器，将输出电流能力扩展到40 A。

图5.图4中40 A电路的效率。

电感电流在启动和稳态期间保持平衡，如图6所示。当输入为3.3 V时，32 A时的效率可高达89%。

图6.并联解决方案的电感电流波形。

高开关频率提供高效率的紧凑型解决方案

静音开关稳压器 2 架构不仅可在 LT8642S 应用中实现出色的 EMI 性能，还能产生快速、干净的开关边沿，从而降低开关损耗。最小的开关损耗以及仅 20 ns 的最小导通时间，可在高开关频率和小解决方案尺寸下实现高效率。例如，12 V至1.2 V LT8642S解决方案可在2 MHz开关频率下实现88%以上的效率。此外，由于其高速峰值电流模式架构，LT8642S 可在过载或短路条件下采用饱和电感器安全地工作。因此，可以根据输出负载要求选择电感器。

紧凑型电源解决方案通常与热性能相冲突。LT8642S能够通过高效率和增强型热封装克服这种典型的权衡。图7显示了5 V/10 A LT8642S解决方案，开关频率为1 MHz。对于12 V输入，LT8642S在提供50 W功率时以小于47°C的外壳温升工作，峰值效率达到97%以上。

图7.采用LT8642S的50 W （5 V/10 A）解决方案。

图8所示为3 MHz LT8642S解决方案。高频操作通过使用一个小电感器和一个低值输出电容来最大限度地减小解决方案尺寸。

图8.采用LT8642S的3.3 V、3 MHz应用。

LT8642S 还具有使能控制、电源良好指示器和软启动功能。这些功能对于 SoC 和 FPGA 电源所需的系统电源排序至关重要。

ADI公司的线性电源产品组合提供一系列降压稳压器，可满足高级SoC、FPGA和微处理器的各种功率预算。表 1 列出了一些设备及其当前功能。

 

	输入电压 （V）	输入电压 （V）	电流 （A）	频率（兆赫）	敏 T上（新秒）典型值	包
LT8642S	2，8 到 18	1	10	0.2 到 3	20	4 毫米 × 4 毫米 长式耳式液晶显示器
LTC3636	3，1 到 20	2	6/6	0，5 到 4	30	4 毫米 × 5 毫米 QFN
LTC7124	3，1 到 17	2	3.5/3.5	0.5 到 4	50	3 毫米 × 5 毫米 QFN
LTC7150S	3，1 到 20	1	20	0，4 到 3	20	6 毫米 × 5 毫米 BGA
LTC7151S	3，1 到 20	1	15	0，4 到 3	20	4 毫米 × 5 毫米 长式耳式液晶显示器

 

结论

工业和汽车环境中对更多智能、自动化和传感的需求导致需要越来越高性能电源的电子系统激增。低 EMI 已从事后才想到的重中之重，而解决方案尺寸、高效率、热熟练度、稳健性和易用性仍然很重要。

ADI单芯片稳压器在这些领域表现出色，可满足汽车、电信、数据中心和工业客户的要求。特别是，包括LTC7150S和LT8642S在内的高性能单片式稳压器系列通过采用专有的静音开关技术，以紧凑的尺寸满足严格的EMI标准。集成 MOSFET 和集成热管理功能可在高达 20 V 的输入范围内稳健可靠地提供从几安培到超过 20 A 的电流。该器件均包括使能控制、电源良好指示器和软启动功能，因此只需几个组件即可完成电源设计。

审核编辑：郭婷