降低工業(yè)和汽車應(yīng)用中陶瓷電容器的電源要求

在過去幾年中，多層陶瓷電容器（MLCC）的價格急劇上漲，跟蹤了汽車，工業(yè)，數(shù)據(jù)中心和電信行業(yè)中使用的電源數(shù)量的擴(kuò)展。陶瓷電容器用于輸出端的電源中，以降低輸出紋波，并控制由于高壓擺率負(fù)載瞬變引起的輸出電壓過沖和欠沖。輸入端需要陶瓷電容器進(jìn)行去耦和濾除EMI，因?yàn)樗鼈冊诟哳l下具有低ESR和低ESL。

為了提高工業(yè)和汽車系統(tǒng)的性能，需要將數(shù)據(jù)處理速度提高幾個數(shù)量級，越來越多的高功耗設(shè)備被擠入微處理器、CPU、片上系統(tǒng) （SoC）、ASIC 和 FPGA。這些復(fù)雜器件類型中的每一種都需要多個穩(wěn)壓軌：通常，內(nèi)核為 0.8 V，DDR3 和 LPDDR4 分別為 1.2 V 和 1.1 V，外設(shè)和輔助組件分別為 5 V、3.3 V 和 1.8 V。降壓轉(zhuǎn)換器廣泛用于從電池或直流母線產(chǎn)生穩(wěn)壓電源。

例如，高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）在汽車中的普及大大提高了陶瓷電容器的使用率。隨著5G技術(shù)在電信領(lǐng)域的興起，需要高性能電源，陶瓷電容器的使用也將顯著增加。內(nèi)核電源電流已從幾安培增加到數(shù)十安培，對電源紋波、負(fù)載瞬態(tài)過沖/欠沖和電磁干擾 （EMI） 的控制非常嚴(yán)格，這些功能需要額外的電容。

在許多情況下，傳統(tǒng)的電源方法無法跟上變化的步伐。整體解決方案尺寸太大，效率太低，電路設(shè)計(jì)太復(fù)雜，物料清單（BOM）成本太高。例如，為了滿足快速負(fù)載瞬變的嚴(yán)格電壓調(diào)節(jié)規(guī)范，輸出端需要大量陶瓷電容器來存儲和源出負(fù)載瞬變產(chǎn)生的大量電流。輸出陶瓷電容器的總成本可以達(dá)到功率IC的幾倍。

較高的電源工作（開關(guān)）頻率可以降低瞬變對輸出電壓的影響，降低電容要求和整體解決方案尺寸，但較高的開關(guān)頻率通常會導(dǎo)致開關(guān)損耗增加，從而降低整體效率。是否有可能避免這種權(quán)衡，并在高級微處理器、CPU、SoC、ASIC 和 FPGA 所需的非常高電流水平下滿足瞬態(tài)要求？為了考慮這個問題，讓我們看一下SoC的20 V輸入至1 V/15 A輸出。

15 A 從 20 V 輸入

圖1顯示了適用于SoC和CPU電源應(yīng)用的1 MHz、1.0 V、15 A架構(gòu)，其輸入典型值為12 V或5 V，可在3.1 V至20 V范圍內(nèi)變化。只需輸入和輸出電容器、一個電感器以及幾個小電阻器和電容器即可完成電源。可以輕松修改該電路，以產(chǎn)生低至0.6 V的其他輸出電壓，例如1.8 V、1.1 V和0.85 V。輸出軌的負(fù)回路（V– 引腳）可實(shí)現(xiàn)對靠近負(fù)載的輸出電壓進(jìn)行遠(yuǎn)程反饋檢測，從而最大限度地減少由電路板走線壓降引起的反饋誤差。

圖1所示的方法使用具有高性能集成MOSFET的穩(wěn)壓器。該特定穩(wěn)壓器是一款LTC7151S單片式降壓穩(wěn)壓器，它采用靜音開關(guān) 2 架構(gòu)來簡化 EMI 濾波器設(shè)計(jì)。采用 28 引腳、耐熱性能增強(qiáng)型 4 mm × 5 mm × 0.74 mm LQFN 封裝。通過谷值電流模式進(jìn)行控制，降低了輸出電容要求。內(nèi)置保護(hù)功能，以最大限度地減少外部保護(hù)組件的數(shù)量。

頂部開關(guān)的最短導(dǎo)通時間僅為20 ns（典型值），能夠以非常高的頻率直接降壓至內(nèi)核電壓。熱管理功能可在輸入電壓高達(dá) 20 V 的情況下實(shí)現(xiàn)高達(dá) 15 A 的可靠和連續(xù)傳輸電流，無需散熱器或氣流，使其成為電信、工業(yè)、運(yùn)輸和汽車應(yīng)用中 SOC、FPGA、DSP、GPU 和微處理器的熱門選擇。該穩(wěn)壓器具有寬輸入范圍，可用作第一級中間轉(zhuǎn)換器，在5 V或3.3 V時支持高達(dá)15 A的電流，支持多個下游負(fù)載點(diǎn)或LDO穩(wěn)壓器。

圖1.適用于 SoC 和 CPU 的 1 MHz、15 A 降壓穩(wěn)壓器的原理圖和效率。

以最小的輸出電容滿足嚴(yán)格的瞬態(tài)規(guī)格

通常，輸出電容會進(jìn)行縮放，以滿足環(huán)路穩(wěn)定性和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的要求。對于為處理器內(nèi)核電壓提供服務(wù)的電源，這些規(guī)格尤其嚴(yán)格，在這些電源中，負(fù)載瞬態(tài)過沖和下沖必須得到很好的控制。例如，在負(fù)載階躍期間，輸出電容必須步進(jìn)，瞬時提供電流以支持負(fù)載，直到反饋環(huán)路使開關(guān)電流足以接管。通常，通過在輸出側(cè)安裝大量多層陶瓷電容器來抑制過沖和下沖，從而滿足快速負(fù)載瞬變期間的電荷存儲要求。

此外，將開關(guān)頻率推高可以改善快速環(huán)路響應(yīng)，但代價是開關(guān)損耗增加。

還有第三種選擇：具有谷值電流模式控制的穩(wěn)壓器可以動態(tài)改變穩(wěn)壓器的開關(guān)TON和TOOFF時間，幾乎可以瞬間滿足負(fù)載瞬變的需求。這樣可以顯著降低輸出電容，以滿足快速響應(yīng)時間。圖2顯示了LTC7151S靜音開關(guān)穩(wěn)壓器以8 A/μs壓擺率立即響應(yīng)4 A至12 A負(fù)載階躍的結(jié)果。LTC7151S的受控導(dǎo)通時間（COT）谷值電流模式架構(gòu)允許開關(guān)節(jié)點(diǎn)脈沖在4 A至12 A負(fù)載階躍轉(zhuǎn)換期間壓縮。上升沿開始后約1 μs，輸出電壓開始恢復(fù)，過沖和下沖峰峰值限制為46 mV。圖2a所示的三個100 μF陶瓷電容足以滿足典型的瞬態(tài)規(guī)格，如圖2b所示。圖2c顯示了負(fù)載階躍期間的典型開關(guān)波形。

圖2.（a） 此 5 V 輸入至 1 V 輸出應(yīng)用以 2 MHz 運(yùn)行，輸出端需要最小電容，以便快速、干凈地響應(yīng) （b） 負(fù)載階躍以及 （c） 負(fù)載階躍期間的開關(guān)波形。

3 MHz 時的高效率降壓適合狹小空間

使用高集成度穩(wěn)壓器可使 MOSFET、驅(qū)動器和熱回路電容器保持緊密連接。這減少了寄生效應(yīng)，并允許以非常窄的死區(qū)時間快速打開/關(guān)閉開關(guān)。開關(guān)反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通損耗大大降低。集成的熱回路去耦電容和內(nèi)置補(bǔ)償電路也消除了設(shè)計(jì)復(fù)雜性，從而最大限度地減小了解決方案的總尺寸。

如前所述，頂部開關(guān)的最小值為20 ns（典型值），允許在高頻下進(jìn)行非常低的占空比轉(zhuǎn)換，使設(shè)計(jì)人員能夠利用超高頻工作（如3 MHz）來減小電感、輸入電容和輸出電容的尺寸和值。極其緊湊的解決方案適用于空間有限的應(yīng)用，例如汽車和醫(yī)療應(yīng)用中的便攜式設(shè)備或儀器。使用 LTC7151S 時，不需要龐大的熱緩解組件，例如風(fēng)扇和散熱器，這得益于其高性能電源轉(zhuǎn)換，即使在非常高的頻率下也是如此。

圖3所示為5 V至1 V解決方案，工作在3 MHz開關(guān)頻率。伊頓的小尺寸 100 nH 電感器與三個 100 μF/1210 陶瓷電容器相結(jié)合，為 FPGA 和微處理器應(yīng)用提供了超薄的緊湊型解決方案。效率曲線如圖3b所示。室溫下滿載時溫升約15°C。

圖3.5 V 輸入至 1 V/15 A 的原理圖和效率，f西 南部= 3 兆赫。

提高電磁干擾性能

滿足已發(fā)布的EMI規(guī)范，例如CISPR 22/CISPR 32傳導(dǎo)和輻射EMI峰值限值，應(yīng)用15 A可能意味著許多迭代電路板旋轉(zhuǎn)，涉及解決方案尺寸、總效率、可靠性和復(fù)雜性的眾多權(quán)衡。傳統(tǒng)方法通過減慢開關(guān)邊沿和/或降低開關(guān)頻率來控制EMI。兩者都有不良影響，例如效率降低、最小開關(guān)時間增加以及解決方案尺寸增大。暴力EMI抑制，如復(fù)雜而笨重的EMI濾波器或金屬屏蔽，大大增加了所需的電路板空間、元件和組裝成本，同時使熱管理和測試復(fù)雜化。

EMI可以通過多種方式降低，包括集成熱回路電容器，以最大限度地減少噪聲天線尺寸。LTC7151S 通過集成高性能 MOSFET 和驅(qū)動器來保持低 EMI，從而使 IC 設(shè)計(jì)人員能夠生產(chǎn)出具有內(nèi)置最小開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴的器件。結(jié)果是，即使開關(guān)邊沿具有高壓擺率，存儲在熱回路中的相關(guān)能量也受到高度控制，從而實(shí)現(xiàn)出色的EMI性能，同時最大限度地降低高工作頻率下的交流開關(guān)損耗。

LTC7151S 已在 EMI 測試室中進(jìn)行了測試，并通過了 CISPR 22 / CISPR 32 傳導(dǎo)和輻射 EMI 峰值限制，前面有一個簡單的 EMI 濾波器。圖4顯示了1 MHz、1.2 V/15 A電路的原理圖，圖5顯示了千兆赫茲橫向電磁（GTEM）電池的輻射EMI CISPR 22測試結(jié)果。

圖4.開關(guān)頻率為1 MHz的1.2 V穩(wěn)壓器原理圖。

圖5.GTEM 中的輻射 EMI 超過 CISPR 22 B 類限制。

智能電子、自動化和傳感器在工業(yè)和汽車環(huán)境中的激增推動了電源所需的數(shù)量和性能要求。特別是低EMI，作為關(guān)鍵的電源參數(shù)考慮因素，以及對小解決方案尺寸、高效率、熱能力、魯棒性和易用性的通常要求，已經(jīng)越來越受到重視。借助集成穩(wěn)壓器，開發(fā)人員可以在非常緊湊的環(huán)境中滿足嚴(yán)格的EMI要求。通過谷值電流模式控制和高頻操作，穩(wěn)壓器可以動態(tài)改變TON和TOOFF時間，以近乎瞬時主動支持負(fù)載瞬變，從而實(shí)現(xiàn)更小的輸出電容和快速響應(yīng)。最后，集成的 MOSFET 和熱管理可在高達(dá) 20 V 的輸入范圍內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定可靠地提供高達(dá) 15 A 的電流。

審核編輯：郭婷