用于信號(hào)和數(shù)據(jù)處理電路的DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案

簡(jiǎn)介

現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）、片上系統(tǒng)（SoC）和微處理器等數(shù)據(jù)處理IC不斷擴(kuò)大在電信、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)、汽車(chē)、航空電子和國(guó)防系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用。這些系統(tǒng)的一個(gè)共同點(diǎn)是處理能力不斷提高，導(dǎo)致原始功率需求相應(yīng)增加。設(shè)計(jì)人員很清楚高功率處理器的熱管理問(wèn)題，但可能不會(huì)考慮電源的熱管理問(wèn)題。與晶體管封裝處理器本身類似，當(dāng)?shù)蛢?nèi)核電壓需要高電流時(shí)，熱問(wèn)題在最差情況下不可避免——這是所有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的總體電源趨勢(shì)。

DC－DC轉(zhuǎn)換器需求概述：EMI、轉(zhuǎn)換比率、大小和散熱考慮

通常，F(xiàn)PGA／SoC／微處理器需要多個(gè)電源軌，包括用于外圍和輔助電源的5 V、3．3 V和1．8 V，用于DDR4和LPDDR4的1．2 V和1．1 V，以及用于處理核心的0．8 V。產(chǎn)生這些電源軌的DC－DC轉(zhuǎn)換器通常從電池或中間直流母線獲取12 V或5 V輸入電壓。為了將這些電源直流電壓降至處理器所需的更低的電壓，自然會(huì)選用開(kāi)關(guān)模式降壓轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗鼈冊(cè)诖蠼祲罕葧r(shí)效率高。開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器有數(shù)百種類型，但很多都可分為控制器（外部MOSFET）或單片穩(wěn)壓器（內(nèi)部MOSFET）。我們先來(lái)看看前者。

傳統(tǒng)控制器解決方案可能不符合要求

傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)模式控制器IC驅(qū)動(dòng)外部MOSFET，具有外部反饋控制環(huán)路補(bǔ)償元件。由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換器效率很高且功能多樣，同時(shí)提供高功率，但所需的分立元件的數(shù)量使得設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜且難以優(yōu)化。外部開(kāi)關(guān)也會(huì)限制開(kāi)關(guān)速度，在空間寶貴的情況下這是一個(gè)問(wèn)題，比如在汽車(chē)或航空電子設(shè)備環(huán)境中，因?yàn)檩^低的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致整個(gè)元件體積更大。

另一方面，單片穩(wěn)壓器則可以極大地簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。本文深入討論整體解決方案，首先介紹“減小尺寸，同時(shí)改善EMI”部分。

不要忽視最小導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間

另一個(gè)重要考慮因素是轉(zhuǎn)換器的最小導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，或其在足以從輸入電壓降至輸出電壓的占空比下運(yùn)行的能力。降壓比越大，所需最小導(dǎo)通時(shí)間越低（也取決于頻率）。同樣地，最小關(guān)斷時(shí)間對(duì)應(yīng)于壓差：在輸出電壓不再受支持之前輸入電壓能降到多低。雖然增加開(kāi)關(guān)頻率的好處是整體解決方案更小，但最小導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間會(huì)設(shè)置工作頻率的上限。總之，這些值越低，在設(shè)計(jì)小尺寸和高功率密度時(shí)就有越多的余地。

注意真實(shí)的EMI性能

其他噪聲敏感器件要安全運(yùn)行，還需要具備出色的EMI性能。在工業(yè)、電信或汽車(chē)應(yīng)用中，電源設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)是最大限度地減少EMI。為了使復(fù)雜的電子系統(tǒng)能夠協(xié)同工作，不因EMI重疊而產(chǎn)生問(wèn)題，采用了嚴(yán)格的EMI標(biāo)準(zhǔn)，如CISPR 25和CISPR 32輻射EMI規(guī)范。為了滿足這些要求，傳統(tǒng)電源方法通過(guò)減慢開(kāi)關(guān)邊緣和降低開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減少EMI——前者降低了效率，提高了散熱，而后者降低了功率密度。

降低的開(kāi)關(guān)頻率還可能違背CISPR 25標(biāo)準(zhǔn)中的530 kHz至1．8 MHz AM頻段EMI要求?？梢圆捎?a target="_blank">機(jī)械減緩技術(shù)來(lái)降低噪聲水平，包括復(fù)雜、大尺寸的EMI濾波器或金屬屏蔽，但這些技術(shù)不但增加了大量成本，而且使電路板空間、元件數(shù)量和裝配復(fù)雜性增加，并進(jìn)一步使熱管理和測(cè)試復(fù)雜化。這些策略都不能滿足小尺寸、高效率和低EMI的要求。

減小尺寸，同時(shí)改善EMI、熱性能和效率

很明顯，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)已變得十分復(fù)雜，這給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)。為了減輕這種負(fù)擔(dān)，一個(gè)好的策略是尋找具有同時(shí)解決許多問(wèn)題功能的電源IC解決方案：降低電路板的復(fù)雜性，高效率地工作，最大限度地減少散熱，并產(chǎn)生低EMI。可支持多個(gè)輸出通道的功率IC可進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

開(kāi)關(guān)集成在封裝中的單片電源IC可實(shí)現(xiàn)其中多個(gè)目標(biāo)。例如，圖1所示為完整的雙路輸出解決方案板，說(shuō)明了單片穩(wěn)壓器的緊湊簡(jiǎn)單。此處使用的IC中的集成MOSFET和內(nèi)置補(bǔ)償電路只需要幾個(gè)外部元件。此解決方案的總核心尺寸僅為22 mm × 18 mm，部分通過(guò)相對(duì)較高的2 MHz開(kāi)關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)。

圖1．具有出色EMI性能的緊湊型、高開(kāi)關(guān)頻率、高效率解決方案

此電路板的原理圖如圖2所示。在此解決方案中，轉(zhuǎn)換器使用LT8652S的兩個(gè)通道，在2 MHz的頻率下運(yùn)行，并在8．5 A下產(chǎn)生3．3 V電壓，在8．5 A下產(chǎn)生1．2 V電壓?？奢p松修改此電路以產(chǎn)生包括3．3 V和1．8 V、3．3 V和1 V等在內(nèi)的輸出組合。或者，為了利用LT8652S的寬輸入范圍，LT8652S可用作二級(jí)轉(zhuǎn)換器，再使用12 V、5 V或3．3 V前置穩(wěn)壓器，以提高總效率和功率密度性能。由于高效率和出色的熱管理，LT8652S可同時(shí)為每個(gè)通道提供8．5 A，17 A用于并行輸出，高達(dá)12 A用于單通道操作。借助3 V至18 V輸入范圍，該器件可覆蓋FPGA／SoC／微處理器應(yīng)用的大多數(shù)輸入電壓組合。

圖2．使用LT8652S的兩個(gè)通道的雙路輸出、2 MHz、3．3 V／8．5 A和1．2 V／8．5 A應(yīng)用

雙路輸出、單片穩(wěn)壓器的性能

圖3顯示了圖1所示解決方案的測(cè)量效率。對(duì)于單通道操作，使用該解決方案，在輸入電壓為12 V時(shí)，3．3 V電源軌的峰值效率達(dá)到94％，1．2 V電源軌的峰值效率達(dá)到87％。對(duì)于雙通道操作，LT8652S在12 V輸入電壓時(shí)每個(gè)通道達(dá)到90％的峰值效率，在8．5 A負(fù)載電流時(shí)每個(gè)通道達(dá)到86％的全負(fù)載效率。由于關(guān)斷時(shí)間跳過(guò)功能，LT8652S的延長(zhǎng)占空比接近100％，使用最低輸入電壓范圍調(diào)節(jié)輸出電壓。20 ns典型最小導(dǎo)通時(shí)間甚至使其可在高開(kāi)關(guān)頻率下操作穩(wěn)壓器，直接從12 V電池或直流母線生成小于1 V的輸出電壓——最終減少整體解決方案大小和成本，同時(shí)避免了AM頻段。具有集成旁路電容的Silent Switcher？ 2技術(shù)可防止可能出現(xiàn)的布局或生產(chǎn)問(wèn)題，從而避免影響出色的臺(tái)式EMI和效率性能。

圖3．具有2 MHz開(kāi)關(guān)頻率的單路和雙路輸出效率

高電流負(fù)載的差分電壓檢測(cè)

對(duì)于高電流應(yīng)用，每一英寸PCB線路都會(huì)導(dǎo)致大幅壓降。對(duì)于現(xiàn)代核心電路中需要極窄電壓范圍的典型低電壓、高電流負(fù)載，壓降會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的問(wèn)題。LT8652S提供差分輸出電壓檢測(cè)功能，允許客戶創(chuàng)建開(kāi)爾文連接，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓檢測(cè)和直接從輸出電容進(jìn)行反饋。它可以校正最高±300 mV的輸出接地線路電位。圖4顯示LT8652S利用差分檢測(cè)功能對(duì)兩個(gè)通道進(jìn)行負(fù)載調(diào)整。

圖4．LT8652S使用差分檢測(cè)功能進(jìn)行負(fù)載調(diào)整

監(jiān)控輸出電流

在一些高電流應(yīng)用中，必須收集輸出電流信息來(lái)進(jìn)行遙測(cè)和診斷。此外，根據(jù)工作溫度限制最大輸出電流或降低輸出電流可防止損壞負(fù)載。因此，需要進(jìn)行恒壓、恒流操作以精確調(diào)節(jié)輸出電流。LT8652S使用IMON引腳監(jiān)控并減少負(fù)載的有效調(diào)節(jié)電流。

當(dāng)IMON對(duì)負(fù)載設(shè)置調(diào)節(jié)電流時(shí)，可根據(jù)IMON和GND之間的電阻來(lái)配置IMON以減小此調(diào)節(jié)電流。負(fù)載／電路板溫度降額可使用正溫度系數(shù)熱敏電阻來(lái)設(shè)置。當(dāng)電路板／負(fù)載溫度上升時(shí)，IMON電壓增加。為了減小調(diào)節(jié)電流，將IMON電壓與內(nèi)部1 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較以調(diào)節(jié)占空比。IMON電壓可低于1 V，但這樣就不會(huì)產(chǎn)生影響。圖5顯示激活I(lǐng)MON電流環(huán)路前后的輸出電壓和負(fù)載電流曲線。

圖5．LT8652S輸出電壓和電流曲線

低電磁輻射（EMI）

為了使復(fù)雜的電子系統(tǒng)能夠工作，對(duì)單個(gè)元件解決方案應(yīng)用了嚴(yán)格的EMI標(biāo)準(zhǔn)。為了在多個(gè)行業(yè)中保持一致性，廣泛采用了各種標(biāo)準(zhǔn)，如CISPR 32工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和CISPR 25汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)。為了獲得出色的EMI性能，LT8652S在EMI消除設(shè)計(jì)中采用了領(lǐng)先的Silent Switcher 2技術(shù)，并使用集成環(huán)路電容以盡量減少有噪天線尺寸。加上集成MOSFET和小尺寸，LT8652S解決方案可提供出色的EMI性能。圖6顯示圖1所示LT8652S標(biāo)準(zhǔn)演示板的EMI測(cè)試結(jié)果。圖6a顯示峰值檢測(cè)器的CISPR 25輻射EMI結(jié)果，圖6b顯示CISPR 32輻射EMI結(jié)果。

圖6．圖1應(yīng)用電路的輻射EMI測(cè)試結(jié)果。VIN ＝ 14 V，VOUT1 ＝ 3．3 V／8．5 A，VOUT2 ＝ 1．2 V／8．5 A

可獲得更大電流和更好熱性能的并聯(lián)操作

隨著數(shù)據(jù)處理速度的飆升和數(shù)據(jù)量的倍增，為滿足這些需求，F(xiàn)PGA和SoC的能力也隨之?dāng)U展。電源需要功率，且電源應(yīng)保持功率密度和性能。然而，不能為了增加功率密度而失去簡(jiǎn)單性和穩(wěn)健性的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于要求超過(guò)17 A電流能力的處理器系統(tǒng)，可將多個(gè)LT8652S并聯(lián)且錯(cuò)相運(yùn)行。

圖7顯示兩個(gè)并聯(lián)的轉(zhuǎn)換器可在1 V時(shí)提供34 A輸出電流。通過(guò)將U1的CLKOUT連接至U2的SYNC，使主單元時(shí)鐘與從單元同步。由此產(chǎn)生的每通道90°相位差減少了輸入電流紋波，并將熱負(fù)載擴(kuò)散到電路板上。

為確保在穩(wěn)定狀態(tài)和啟動(dòng)期間更好的均流，將VC、FB、SNSGND和SS連接在一起。建議使用開(kāi)爾文連接以獲得精確的反饋和抗噪性能。在接地引腳附近將盡可能多的熱通孔放置到底層，以改善熱性能。輸入熱回路的陶瓷電容應(yīng)靠近VIN引腳放置。

由于駕駛條件可能發(fā)生劇烈、頻繁和快速變化，SoC必須及時(shí)適應(yīng)快速變化的負(fù)載，因此，汽車(chē)SoC施加的負(fù)載瞬態(tài)要求可能很難滿足。外圍電源的負(fù)載電流壓擺率達(dá)100 A／μs，核心電源的壓擺率甚至更高，這是很常見(jiàn)的。然而，在快速負(fù)載電流壓擺率下，必須將電源輸出的電壓瞬變最小化。＞2 MHz的快速開(kāi)關(guān)頻率可快速恢復(fù)瞬變，且輸出電壓偏移最小。圖7顯示利用快速開(kāi)關(guān)頻率和穩(wěn)定動(dòng)態(tài)環(huán)路響應(yīng)的正確的環(huán)路補(bǔ)償元件值。在電路板布局中，最大限度地減少電路輸出電容到負(fù)載的線路電感也是至關(guān)重要的。

圖7．適用于SoC應(yīng)用的4相、1 V／34 A、2 MHz解決方案

圖8．圖7電路的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

結(jié)論

FPGA、SoC和微處理器的處理能力不斷提高，原始功率需求也相應(yīng)增加。隨著所需功率電軌數(shù)量及其承載能力的增加，必須考慮設(shè)計(jì)小型電源系統(tǒng)，并加快系統(tǒng)性能。LT8652S是電流模式、8．5 A、18 V同步Silent Switcher 2降壓穩(wěn)壓器，輸入電壓范圍為3 V至18 V，適用于從單節(jié)鋰離子電池到汽車(chē)輸入的輸入源應(yīng)用。

LT8652S的工作頻率范圍為300 kHz至3 MHz，使設(shè)計(jì)人員可盡量減少外部元件尺寸并避免關(guān)鍵頻段，如調(diào)頻廣播。Silent Switcher 2技術(shù)可保證出色的EMI性能，既不會(huì)犧牲開(kāi)關(guān)頻率和功率密度，也不會(huì)犧牲開(kāi)關(guān)速度和效率。Silent Switcher 2技術(shù)還在封裝中集成了所有必要的旁路電容，可最大限度地減少布局或生產(chǎn)可能引起的意外EMI，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

Burst Mode？（突發(fā)工作模式）操作將靜態(tài)電流減少到只有16 μA，同時(shí)使輸出電壓紋波保持在低值。4 mm × 7 mm LQFN封裝和極少數(shù)外部元件可確保外形緊湊，同時(shí)盡量減少解決方案成本。LT8652S的24 mΩ／8 mΩ開(kāi)關(guān)提供超過(guò)90％的效率，而可編程欠壓閉鎖（UVLO）可優(yōu)化系統(tǒng)性能。輸出電壓的遠(yuǎn)程差分檢測(cè)在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都保持高精度，同時(shí)不受線路阻抗的影響，從而最大限度地降低了外部變化造成負(fù)載損壞的可能性。其他功能包括內(nèi)部／外部補(bǔ)償、軟啟動(dòng)、頻率折返和熱關(guān)斷保護(hù)。