高功率密度數(shù)字IC呼喚新一代電源穩(wěn)壓器

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)，可以在各種功能豐富的電子環(huán)境中找到，包括汽車、醫(yī)療、電信、數(shù)據(jù)通信、工業(yè)、通信、游戲和消費(fèi)類音頻/視頻。高功率密度的數(shù)字 IC 幾乎已經(jīng)滲透到每一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中。

憑借這種市場滲透率，全球?qū)Υ箅娏?、低電壓?shù)字 IC 的需求呈爆炸式增長也就不足為奇了。目前的全球市場估計(jì)超過 18 億美元，預(yù)計(jì)在 2018 年至 2025 年期間，這一數(shù)字將以每年 10.87% 的速度增長，達(dá)到 37 億美元。

作為該市場的最大份額之一，F(xiàn)PGA 預(yù)計(jì)到 2025 年底將占 15.3 億美元。數(shù)字 IC 市場的其余部分由 GPU、微控制器和微處理器、可編程邏輯器件 (PLD)、數(shù)字信號處理器 ( DSP)和專用集成電路(ASIC)。

FPGA 支持上述細(xì)分市場中的尖端應(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)可防止人為錯(cuò)誤造成的災(zāi)難。同樣，政府規(guī)定的安全功能，如防抱死制動系統(tǒng)、穩(wěn)定性控制和電子控制的獨(dú)立懸架系統(tǒng)，也需要 FPGA 才能發(fā)揮作用。

這些數(shù)字 IC 功能強(qiáng)大，但也有個(gè)性，尤其是在電源要求方面。傳統(tǒng)上，驅(qū)動大功率 MOSFET 的高效開關(guān)穩(wěn)壓器控制器已被用于為 FPGA 和 ASIC 供電，但這些基于控制器的電源方案存在潛在的噪聲干擾問題、相對較慢的瞬態(tài)響應(yīng)和布局限制。

開關(guān)穩(wěn)壓器與電荷泵與 LDO 穩(wěn)壓器

可以通過多種方法實(shí)現(xiàn)低電壓、大電流降壓轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)，每種方法都有自己的性能和設(shè)計(jì)權(quán)衡。開關(guān)穩(wěn)壓器控制器在寬電壓范圍內(nèi)的高負(fù)載電流下具有高效率，但它們需要多個(gè)外部組件(如電感器、電容器和 FET)才能運(yùn)行，并且它們可能是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)也可用于產(chǎn)生低電壓，但輸出電流能力有限，瞬態(tài)性能較差，并且需要多個(gè)外部組件。由于這些原因，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)外部電容器即可工作。但是，它們可能會受到功率限制，具體取決于 IC 上輸入至輸出電壓差的大小、負(fù)載需要多少電流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。

單片降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

自 1965 年首次亮相以來，摩爾定律已被證明是有遠(yuǎn)見且有效的。晶圓制造技術(shù)的線寬不斷減小，從而將數(shù)字 IC 電壓推低。更小的幾何工藝允許在最終產(chǎn)品中更高地集成更多耗電功能。

例如，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)服務(wù)器和光通信路由系統(tǒng)需要更高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)也會產(chǎn)生大量熱量，因此需要高效的 IC。汽車擁有更多用于娛樂、導(dǎo)航、自動駕駛功能甚至發(fā)動機(jī)控制的車載電子設(shè)備。因此，系統(tǒng)的電流消耗和所需的相關(guān)總功率都會增加。因此，需要最先進(jìn)的封裝和創(chuàng)新的內(nèi)部功率級設(shè)計(jì)來將熱量從功率 IC 中排出，同時(shí)提供前所未有的功率。

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。具有高電源抑制的設(shè)備可以過濾和抑制輸入端的噪聲，從而產(chǎn)生干凈穩(wěn)定的輸出。此外，需要在寬帶寬或低輸出紋波上具有低輸出電壓噪聲的電源解決方案——現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)有多個(gè)電源軌，其中噪聲敏感性是主要的設(shè)計(jì)考慮因素。

隨著高端 FPGA 速度要求的提高，電源噪聲容限會降低，以盡量減少誤碼。噪聲引起的數(shù)字故障會大大降低這些高速 PLD 的有效數(shù)據(jù)吞吐速度。大電流下的輸入電源噪聲是對電源要求更高的規(guī)格之一。

例如，由于精細(xì)幾何電路開關(guān)的高功耗，F(xiàn)PGA 中更高的收發(fā)器速度決定了高電流水平。這些 IC 速度很快。它們可以在幾十到幾百納秒內(nèi)將負(fù)載電流從接近零循環(huán)到幾安培，需要具有超快瞬態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)壓器。

隨著為電源穩(wěn)壓器保留的電路板面積不斷減少，許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)向以快速開關(guān)頻率運(yùn)行的單片開關(guān)穩(wěn)壓器，以減小外部組件的尺寸和總解決方案的尺寸——接受因開關(guān)損耗而導(dǎo)致的一些效率損失的權(quán)衡在更高的頻率。

新一代單片開關(guān)穩(wěn)壓器消除了這種權(quán)衡。這些新型穩(wěn)壓器具有集成高側(cè)和低側(cè)開關(guān)的同步操作，允許嚴(yán)格控制開關(guān)柵極電壓，大大減少死區(qū)時(shí)間，即使在高頻下也能實(shí)現(xiàn)更高的效率。

很明顯，用于高性能數(shù)字 IC 的降壓轉(zhuǎn)換器解決方案必須具備以下屬性：

快速開關(guān)頻率以最大限度地減小外部元件的尺寸

零死區(qū)時(shí)間設(shè)計(jì)可最大限度地提高高頻效率

用于更小的解決方案尺寸的單片芯片板載功率器件

多相操作，以實(shí)現(xiàn)高輸出電流和降低紋波的并行操作

低 EMI 可滿足低系統(tǒng)噪聲要求

同步運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)高效率和最小功率損耗

易于設(shè)計(jì)以簡化設(shè)計(jì)周期、認(rèn)證和測試

極低的輸出紋波

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

優(yōu)良的熱性能

占地面積小

傳統(tǒng)上，數(shù)字 IC 由 LDO 穩(wěn)壓器或基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓控制器和板外電源設(shè)備供電。隨著電源性能和空間要求的提高，在許多情況下，這些傳統(tǒng)方法無法滿足這些要求。

以 ADI 的新一代單片電源為例，包括分別支持 10A、6A、4A 和 3A 的 LTC3310S、LTC3309A、LTC3308A 和 LTC3307A，都可以勝任這項(xiàng)任務(wù)。這些高功率密度的 Silent Switcher 和 Silent Switcher 2 降壓穩(wěn)壓器采用熱效率高、緊湊的倒裝芯片層壓封裝，并提供各種功能集以滿足各種數(shù)字 IC 電源問題的要求。

圖 1 四個(gè) LTC3310S 單片穩(wěn)壓器并聯(lián)，形成一個(gè)四相 40A 降壓穩(wěn)壓器。

表 1 比較了 LTC33xx Silent Switcher 和 Silent Switcher 2 系列的特性。

表 1：故障模式和支持的范圍。

結(jié)論

高性能數(shù)字 IC(如 GPU、FPGA 和微處理器)的趨勢正在迅速提高電流需求，同時(shí)由于晶圓制造技術(shù)的線寬縮小而導(dǎo)致工作電壓下降。電流和電壓需求只是電源圖的一部分。數(shù)字 IC 的進(jìn)步伴隨著許多其他要求，包括快速瞬態(tài)響應(yīng)、低 EMI、低噪聲/紋波和高效運(yùn)行以最大限度地減少熱量。

審核編輯：湯梓紅