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解析现代计算和通信数字系统中大电流单片降压型转换器的设计挑战

2020-02-14 阅读:
大电流单片开关稳压器的最大挑战之一是其散热能力,其热量来自 IC 中产生的大量功耗。通过使用耐热增强型球珊阵列 (BGA) 封装,可以应对这一挑战,在这种封装中,大部分焊锡球都专门用于电源引脚,以便热量可以非常容易地从 IC 传送到电路板中。电路板上连接到这些电源引脚的较大铜平面允许热量更加均匀地散出。

摩尔定律的可持续性被质疑十多年以来,半导体制造工艺依然在继续这个神奇的预言,7纳米已经规模制造两年,而5纳米、3纳米以及更小的工艺技术呼之欲出。芯片制造技术线宽不断变窄,因此要求数字 IC 以更低电压运行。几何尺寸更小的工艺允许在最终产品中集成更多需要大量功率的功能。zWzednc

例如,现代计算机服务器和通信路由系统需要更大的带宽,以处理更多计算数据和互联网流量。汽车有更多车载电子产品,以提供娱乐、导航、自助驾驶功能,甚至引擎控制。结果,系统电流消耗和所需的总功率增加了。因此,需要最先进的封装和创新性内部电源级设计,以将电源 IC 中的热量散出来,同时提供前所未有的大功率。 zWzednc

大电流应用的电源设计挑战分析

此外,较大的电源抑制比和较低的输出电压噪声或纹波需求是另外两项需要考虑的挑战。具较大电源抑制比的器件能够更容易地在输入端滤除和抑制噪声,从而产生干净和稳定的输出。在很宽的带宽内具较低输出电压噪声或较低输出纹波的器件有利于给如今的新式低噪声轨供电,在这类轨中,噪声灵敏度是设计时需要考虑的主要因素。zWzednc

较高的收发器速率也决定了较大的电流,因为几何尺寸很小的电路在切换时功耗较大。这类 集成电路速度很快,可能在几十至数百纳秒内就将负载电流从接近零增大到几安培,因此需要具超快瞬态响应的稳压器。zWzednc

随着为电源稳压器保留的电路板面积越来越小,大家也日益熟知,具较高开关频率的单片开关稳压器减小了外部组件尺寸,因此也就减小了解决方案的总体尺寸,伴随而来的折衷是,由于较高频率时的开关损耗,效率有某种微小损失。不过,新一代单片开关稳压器提供一些独特的功能,甚至在较高频率时也能显著降低开关损耗。也就是说,集成的高压侧和低压侧开关同步运行允许更好地控制其栅极电压,这极大地缩短了死区时间,因此能够以更高效率运行。zWzednc

大电流单片开关稳压器的最大挑战之一是其散热能力,其热量来自 IC 中产生的大量功耗。通过使用耐热增强型球珊阵列 (BGA) 封装,可以应对这一挑战,在这种封装中,大部分焊锡球都专门用于电源引脚,以便热量可以非常容易地从 IC 传送到电路板中。电路板上连接到这些电源引脚的较大铜平面允许热量更加均匀地散出。zWzednc

典型的大电流降压型稳压器解决方案

要解决上面提到的这些挑战,需要采用具备以下属性的降压型转换器解决方案:zWzednc

  • 较高的开关频率 — 减小外部组件尺寸
  • 死区时间为零的设计 — 提高效率
  • 单片 — 内置功率器件以实现尺寸更小的解决方案
  • 同步运行 — 效率更高和功耗更低
  • 简单的设计 — 需要的外部组件最少
  • 非常低的输出纹波
  • 快速瞬态响应
  • 在宽输入 / 输出电压范围内运行
  • 能够提供很大的输出电流
  • 出色的热性能
  • 紧凑的占板面积

随着数字系统电流越来越大、相应地工作电压越来越低,伴随这些进步而来的是在电源管理领域的更具挑战性的需求,这类需求包括需要快速瞬态响应、低噪声 / 低纹波、以及高效率运行以最大限度减少热量。传统上,给这些数字 IC 供电一直用 LDO 或基于电感器的开关稳压器控制器和外置功率器件完成。ADI提供了采用高热效率 BGA 封装的新一代单片、大电流降压型开关稳压器,以解决这些问题。这些产品包括 LTC7150S 和 LTC7130,这两款器件都具有独特的功能,以解决多种应用为数字 IC 供电的问题。zWzednc
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具有非常低纹波的高效率、1.5V/15A 降压型转换器LTC7130zWzednc

为了满足这些特定需求,凌力尔特推出了 LTC71xx 系列单片大电流降压型稳压器。这个系列的最新成员是 LTC7150S,这是一款 20V/20A 单片同步降压型转换器,具差分 VOUT 远端检测。该器件独特的可锁相受控接通时间、恒定频率电流模式架构减轻了补偿负担,非常适合以高频运行同时需要快速瞬态响应的高降压比应用。LTC7150S 运用 Silent Switcher® 2 技术,包括集成的旁路电容器,以在高频时提供具卓越 EMI 性能的高效率解决方案。zWzednc

多达 12 个相位的多相运行允许直接并联多个器件,以用最小的输入和输出电容提供更大的电流。VOUT 远端检测确保负载端电压调节是准确的,不受负载电流或电路板布局的影响。其 3.1V 至 20V 的宽输入范围支持多种应用,包括大多数中间总线电压,而且与很多电池类型兼容。集成的 N 沟道 MOSFET 在 0.6V 至 VIN 输出电压范围内以最小的热降额提供高达 20A 的连续负载电流,非常适合负载点应用,例如大电流 / 低电压 DSP / FPGA / ASIC 参考设计。其他应用包括电信 / 数据通信系统、分布式电源架构和一般的高功率密度系统。zWzednc

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LTC7150S 的典型应用原理图zWzednc

LTC7150S 非常短的 25ns 最短接通时间允许在高频运行时实现高降压比电源。工作频率在 400kHz 至 3MHz 范围内是用户可选的,并可同步至一个外部时钟。在 –40°C 至 125°C 工作结温范围内,LTC7150S 的总差分输出电压准确度为 ±1%,其他特点包括高速差分远端检测放大器、PHMODE 相位选择器引脚、准确的 1.2V RUN 引脚门限、VIN 过压保护、电源良好标记和可编程软启动 / 跟踪。zWzednc

满足高效率、更低 EMI 和快速瞬态响应的设计挑战

器件型号 LTC7150S 中的“S”指的是第二代 Silent Switcher 技术。该 IC 集成了用于 VIN 和BOOST 的陶瓷电容器,以保持所有快速 AC 电流环路都很小,因此改善了 EMI 性能。此外,该器件允许更快速的开关切换边沿,这在高开关频率时极大地提高了效率。zWzednc

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LTC7150S 的效率性能zWzednc

LTC7150S 独特的受控接通时间架构允许该 IC 快速响应瞬态阶跃。这是在瞬态阶跃时完成的 —— 开关频率自带加速能力,这就允许电感器电流更好地追随误差放大器 (ITH) 输出的意愿。这允许更积极地设定 ITH 补偿,从而可增大环路总带宽。zWzednc

LTC7150S 允许在高频时实现高效率,这是因为该器件有一个关键特点,即显著缩短了死区时间。该 IC 内部的伺服环路在 SW 上升沿之前将死区时间锁定为 <1ns。死区时间缩短最大限度减少/ 消除了对底部开关体二极管导通的需求。在顶部开关接通时,这从根本上消除了底部开关体二极管反向恢复的影响。因这个特点而使功耗相当显著地降低了。zWzednc

更低的纹波电流可降低电感器的磁芯损耗、输出电容器的 ESR 损耗和输出电压纹波。在低频、小纹波电流时可实现高效率运行。不过,实现这一点需要一个大型电感器。在组件尺寸、效率和工作频率之间需要折衷。zWzednc

这种独特的恒定频率 / 受控接通时间架构非常适合以高频运行的高降压比应用,同时需要快速瞬态响应。zWzednc

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LTC7150S 的瞬态响应性能zWzednc

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