面向 SoC 和微處理器應(yīng)用的高效率 20A 單片式 Silent Switcher® 2 穩(wěn)壓器

對于工業(yè)和汽車系統(tǒng)中使用的先進(jìn) SoC (片內(nèi)系統(tǒng)) 解決方案而言，功率預(yù)算持續(xù)地攀升。接連推出的每一代 SoC 都增添了高功耗器件并提升了數(shù)據(jù)處理速度。這些器件需要可靠的電源，包括用于內(nèi)核的 0.8V，用于 DDR3 和 LPDDR4 的 1.2V 和 1.1V，以及用于外設(shè)和輔助組件的 5V、3.3V 和 1.8V。此外，先進(jìn) SoC 的性能要求高于傳統(tǒng) PWM 控制器和 MOSFET 所能提供的水平。因此，所需的解決方案必須更加緊湊、具有較高的電流能力、較高的效率，而且更重要的是必須擁有優(yōu)越的 EMI 性能。這里正是我們 Power by Linear™ 單片式 Silent Switcher 2 降壓型穩(wěn)壓器的用武之地，此類器件能夠滿足先進(jìn) SoC 的功率預(yù)算，同時符合 SoC 的尺寸和熱限制條件。

采用 20V 輸入的 20A 解決方案適用于 SoC

LTC®7150S 抬升了“高性能”在工業(yè)和汽車電源中的門檻。該器件具有高效率、小外形尺寸和低 EMI。集成化高性能 MOSFET 和熱管理功能電路可在沒有散熱或冷卻氣流的情況下依靠高達(dá) 20V 的輸入電壓可靠和連續(xù)地輸送高至 20A 的電流，因而使其非常適合工業(yè)、交通運(yùn)輸和汽車應(yīng)用中的 SoC、FPGA、DSP、GPU 和微處理器 (μP)。

圖 1 示出了一款用于 SoC 和 CPU 電源的 1.2V/20A 輸出解決方案，其采用了開關(guān)頻率為 1MHz 的 LTC7150S。該電路可容易地進(jìn)行修改以適應(yīng)其他的輸出組合，包括 3.3V、1.8V、1.1V 和 0.6V，從而利用 LTC7150S 的寬輸入范圍。LTC7150S 擁有作為第一級 5V 電源的輸出電流能力，在它的后面可布設(shè)一些位于不同輸出的下游第二級開關(guān)穩(wěn)壓器或 LDO 穩(wěn)壓器。

圖 1：降壓型轉(zhuǎn)換器的電原理圖和效率：12VIN 至 1.2VOUT/20A

具卓越 EMI 性能的 Silent Switcher 2

在高電流條件下通過 EMI 規(guī)則條例通常需要面對精細(xì)復(fù)雜的設(shè)計(jì)和測試難題，包括在解決方案尺寸、效率、可靠性和復(fù)雜性等諸多因素之間的大量權(quán)衡折衷。傳統(tǒng)方法是通過減慢 MOSFET 開關(guān)邊緣速率和 / 或降低開關(guān)頻率來控制 EMI。這兩種策略均涉及權(quán)衡取舍，例如：效率下降、最小接通和關(guān)斷時間增加、以及解決方案尺寸增大等。諸如采用復(fù)雜龐大的 EMI 濾波器或金屬屏蔽等其他 EMI 抑制方法則在電路板空間、組件和裝配方面增加了顯著的成本，同時還使熱管理和測試工作復(fù)雜化。

Analog Devices 專有的 Silent Switcher 2 架構(gòu)可通過集成型熱環(huán)路電容器自我抵消 EMI，從而最大限度減小噪聲天線尺寸。這與集成化 MOSFET 相結(jié)合，顯著地減少了開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴和存儲在熱環(huán)路中的關(guān)聯(lián)能量，即使在開關(guān)邊緣速率非?？斓那闆r下也不例外。結(jié)果是獲得了異常出色的 EMI 性能，同時最大限度降低了 AC 開關(guān)損耗。LTC7150S 運(yùn)用了 Silent Switcher 2 以盡量降低 EMI 和實(shí)現(xiàn)高效率，從而極大地簡化了 EMI 濾波器設(shè)計(jì)和布局，非常適合那些對噪聲敏感的環(huán)境。僅在前面布設(shè)一個簡單的 EMI 濾波器，LTC7150S 即通過了 CISPR22/32 傳導(dǎo)和輻射 EMI 峰值限制要求。圖 2b 示出了輻射 EMI CISPR22 測試結(jié)果。

圖 2a：VIN = 14V，VOUT = 1V/20A，fSW = 400kHz

圖 2b：圖 2a 所示電路的輻射 EMI 性能

高頻、高效率適合狹窄的空間

集成型 MOSFET、集成化熱環(huán)路去耦電容器、內(nèi)置補(bǔ)償電路，所有這些使系統(tǒng)擺脫了設(shè)計(jì)復(fù)雜性的困擾，并利用電路簡單性和 Silent Switcher 架構(gòu)最大限度縮減了總解決方案尺寸。由于可進(jìn)行高性能的電源轉(zhuǎn)換，因此 LTC7150S 不需要增設(shè)額外的散熱器或冷卻氣流就能提供高電流。與大多數(shù)解決方案不同，低 EMI 和高效率皆可在高頻操作情況下實(shí)現(xiàn)，因而確保了小的無源組件尺寸。圖 3 示出了一款 2MHz 解決方案，其在面向 FPGA 和 μP 應(yīng)用且外形非常扁平的解決方案中使用了一個 72nH 小電感器和全陶瓷電容器。

圖 3：LTC7150S 電原理圖和熱像圖 (5V 輸入至 0.85V/20A 輸出，fSW = 2MHz)

結(jié)論

在工業(yè)和汽車環(huán)境中，對于智能化、自動化和感測能力不斷增長的需求下導(dǎo)致那些電源性能要求越來越高的電子系統(tǒng)急速增加。除了解決方案尺寸、高效率、熱效率、堅(jiān)固性和易用性之外，低 EMI 也已經(jīng)從事后考慮的事項(xiàng)升格為重要的電源要求之一。LTC7150S 通過運(yùn)用 Silent Switcher 2 技術(shù)在緊湊的占板面積內(nèi)滿足了嚴(yán)苛的 EMI 要求。集成化 MOSFET 和熱管理功能允許采用高達(dá) 20V 的輸入范圍和高至 3MHz 的頻率范圍以堅(jiān)固和可靠的方式連續(xù)地提供高達(dá) 20A 的電流。