新一代高频大电流降压芯片

 

极简BOM设计,  超快动态响应，更高功率密度

 

 

全球经济正敲打通信和云计算的时代大门，核心部件光模块及CPU不断升级，内部芯片也不断更新迭代，这些都将对最前端技术产生影响。矽力杰推出新一代高频大电流同步降压转换器SY72220，为通信及云计算设备提供更加优化的电源管理解决方案。

 

 

* 10MHz 20A 电源方案面积

SY72220

10MHz, 20A同步降压稳压器

◆  输入电压范围：2.8V ~ 5.5V
 

◆  输出电流：20A

◆  I2C可调频率：3MHz/5MHz/10MHz

◆  I2C可调输出电压：0.4V~1.5V

◆  多次可编程存储(MTP Memory)

◆  集成 2mΩ NMOS 同步整流器

◆  精确 ±1% 内部电压基准

◆  超快线路和负载瞬态响应

◆  内置差分电路采样输出电压

◆  内置软启动

◆  平滑预偏置启动

◆  具有迟滞功能的热警示和热关断保护

◆  集成UVLO/UVP/SCP/OCP

◆  紧凑型封装：QFN3×4-16

 

 

 

方案简介

* SY72220典型应用图

SY72220是一款高频同步降压转换器，最大提供20A的连续输出电流。其输出电压从0.4V到1.5V在线可调。

 

SY72220可在2.8V到5.5V的输入电压范围内稳定高效工作，适合各种低电压系统。SY72220控制环路具有高增益带宽误差放大器，实现了快速的负载瞬态响应，动态响应的延时不超过50ns。其工作频率可通过I2C配置为3MHz、5MHz或10MHz。

 

SY72220具有输入和输出过压保护（OVP），输出欠压保护（UVP）和短路保护（SCP），以及逐周期过流保护（OCP），提高了系统可靠性。EN使能引脚和集成的UVLO对降压转换器的打开进行严格的控制。平滑的预偏置启动最大程度上限制了启动浪涌电流。

 

SY72220的超高开关频率使其可采用极小尺寸的电感和电容，满足对输出纹波等性能参数的设计要求，极大缩减了PCB布局的空间，为终端设备提供了更为紧凑的解决方案。

SY72220采用定制的16引脚QFN3*4封装，该封装具有大尺寸PGND焊盘焊接至PCB，以获得极低的结至板热阻。

 

 

极简BOM设计，PCB布局紧凑

* 10MHz方案 vs 1MHz方案 尺寸对比

智能终端设备性能不断提高，设备的设计空间也更为宝贵。SY72220采用紧凑型QFN封装，芯片大小仅为3mm×4mm。SY72220开关频率高达10MHz，借由较小的输出电容和电感，PCB面积仅为1MHz开关频率方案的1/4，降低BOM成本，极大程度提升了整体方案的功率密度。

 

 

极高环路带宽，超快动态响应

* SY72220典型负载瞬态响应

SY72220支持超快速负载瞬态响应，动态响应的延时不超过50ns。其高环路带宽实现了在快速负载跳变时较小的输出电压跌落和过冲，为设备提供更加稳定的电源输出。

 

 

工作频率范围宽，转换效率高

* SY72220典型工作点效率曲线(Vin=3.3V, Vo=1V)

SY72220可通过I2C选择3MHz、5MHz或10MHz开关频率。SY72220通过优化内部功率管开通关断的速度和导通电阻最大程度上降低了高频率带来的功率损耗。方案在3MHz的开关频率下，峰值效率可达90%以上。

 

 

 

应用场景

 

应用示例一

手机等掌上电子设备内部空间有限，随着CPU运算性能的不断提升，需要有更高功率密度和超快速负载跳变响应的电源管理解决方案。这是SY72220芯片10MHz工作频率的典型应用场景。

 

 

下面根据一组实际应用条件进行输出电感电容参数设计。

Vin=3.6V, Vo=1V, Iomax=16A, load step up: 0.1A-0.5*Iomax/100ns, load step down: 0.5*Iomax -0.1A/100ns, ∆Vout(ac)<=±30mV(±3%)。

  

首先确定电感感值，一般按照电感纹波为满载输出电流的20%~40%。

Vo=L*∆IL/toff, ∆IL=30%*Iomax=4.8A. 

Lthoeory=Vo*toff/∆IL≈1*77ns/4.8≈16nH。

则最接近理论计算的可用电感感值为17nH(CLT32-17N)和15nH(HPLE041T-15NNSF)。

 

其次考虑满足负载跳变的交流纹波要求。

◆  当从轻载跳重载时，容性负载电压的ΔVundershoot由输出容值，负载变化速率，环路响应延时，电感感值，输入和输入电压值和最大占空比决定。不考虑响应延时，由阶跃跳变时刻到输出电压最低点时刻的电荷守恒，可得ΔVundershoot表达式：

* 0A→8A负载阶跃跳变仿真及理论计算

代入参数Vin=3.6V, Vo=1V, ΔIout=8A。

L=15nH, Dmax=ton/(ton+toff_min)=0.46。

当要求ΔVundershoot≤30mV, Co需满足>=24μF。

◆  当从重载跳轻载时，容性负载电压的ΔVovershoot由输出容值，电感感值和输出电压决定。作同样假设，并考虑输出充高时下管可以一直打开，由阶跃跳变时刻到输出电压最高点时刻的电荷守恒，可得ΔVovershoot表达式：

* 8A→0A负载阶跃跳变仿真及理论计算

当要求ΔVovershoot≤30mV,代入参数，Co需满足>=16μF。

 

同时满足输出电压ac纹波±30mV的要求，输出容值应不小于24μF。

 

最后考虑输出电压的DC纹波。普通二端子的多层陶瓷电容器（MLCC）的谐振频率大约在2~3MHz，其等效串联寄生电感会在谐振频率之后骤增，使输出电压纹波变大。三端子低ESL多层陶瓷电容器因为内部结构相当于多个电流路径并联，大大减小了ESL和ESR等寄生参数。为了进一步减少输出电压纹波，建议采用三端子电容应用于5MHz及以上开关频率。

同时考虑输出电压的AC和DC纹波要求，输出容采用6颗三端子电容NFM15PC435R0G3D (4.3μF,4V,0402)并联。

由下表可知，10MHz的输出无源元器件体积不到1MHz的十分之一，大大提高了功率密度。

* 满足CPU供电应用条件的输出无源元器件设计

实测负载跳变输出电压ac纹波≤±30mV。
 

*负载跳变波形

10MHz工作频率下，全负载范围内输出电压dc纹波≈5mV。

* 10MHz输出电压纹波

芯片工作在半载达到热平衡时，芯片温升不超过40℃。

* 热成像图

应用示例二

* 数据中心光模块系统框图

光模块系统3.3V电源轨是SY72220芯片3MHz和5MHz工作频率的一个典型应用场景，对于电源芯片主要有高集成化，高效率，低输出电压纹波等要求。基于SY72220芯片的模组可以通过三维框架设计，集成除输出电容外的全部无源元器件，更利于光模块等模块化系统的电源设计。

* 基于SY72220的模组概念图

同时考虑电感高度和输出电容的数量，则满足一组光模块应用条件的输出电感电容值如下表：

* 满足光模块系统的不同频率下的输出电感电容值

输出电压dc纹波在两个开关频率下均满足≤5mV。

*3MHz&5MHz输出电压纹波测试

(Vin=3.3V, Vo=0.95V, Iout=15A)

3MHz&5MHz的两个工作频率下，满载效率可以达85%以上，芯片温升不超过50℃。

*3MHz&5MHz温升和效率曲线

(Vin=3.3V, Vo=0.95V, TA=27℃)