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大电流转换器
适用於高功率密度系统

【作者: Steve Knoth等人】2018年01月08日 星期一

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大电流、低压数位 IC 市场规模不断扩大,这类数位 IC 包括了微控制器和微处理器(μC 和 μP)、可编程逻辑元件(PLD)、数位讯号处理器(DSP)、专用积体电路(ASIC)和图形处理器单元(GPU)。当我们检视此市场中的一个较大市场区隔现场可编程闸阵列 (FPGA)IC 的预期,2014年时,该市场的规模为39.2亿美元,预计到 2022年将达到72.3 亿美元,从2016年到2022年,年复合成长率为7.41%(资料来源:marketsandmarkets.com)。高功率密度数位IC几??已进入所有嵌入式系统。这类系统包括、但不限於工业、通讯、电讯、伺服器、医疗、游戏、消费类音讯 / 视讯和汽车系统。在这些市场中,FPGA 正实现着先进应用,例如先进驾驶辅助系统(ADAS)和防撞系统等消除人为差错的汽车应用。


此外,政府要求的安全功能,例如防锁?车系统、稳定性控制和电气控制的独立悬架系统都必须使用FPGA。在消费性电子产品领域,对物联网(IoT)和机器对机器(M2M)通讯的需求,以及资料与伺服器中心的成长,也是驱动FPGA市场成长的相关因素,而需要储存大量资料和进行云端运算,则是资料和伺服器中心成长的驱动因素。


这些基於高功率密度数位IC的系统对电源具备独特的要求。就目前这一代FPGA和ASIC处理器而言,大电流、低电压和快速暂态响应的结合,对为这些元件供电的电源提出了越来越严格的要求。这些数位IC很强大,但是从电源角度来看却是不稳定的。传统上,用来为这类元件供电的,一直是具单独大功率MOSFET的高效率开关稳压器控制器,但是这类控制器具备潜在的杂讯干扰、较慢的暂态响应和布局限制问题。


因此,近几年来,最大限度减少热量的低压差稳压器(LDO)一直被作为替代解决方案,但这类稳压器也并非不具限制。不过,由於该领域最新出现的产品创新,发展趋势正在发生变化。较新型的大功率单晶开关稳压器不再需要进行性能折衷,并正迅速获得采用。


开关稳压器与充电泵及 LDO

低电压、大电流降压转换和调节可透过各种方法和各种设计折衷来实现。就刚起步者而言,开关稳压器控制器以高效率运行,在宽广的电压范围内提供大电流,但是需要诸如电感和电容 (以及在控制器情况下的FET)等外部零组件才能运行。无电感充电泵(或开关电容电压转换器)也可用来实现较低电压的转换,但是输出电流能力受限,暂态性能不隹,且相较於现行线性稳压器其需要更多外部元件。


因此,在数位 IC电源应用中,不常见到充电泵。相反的,线性稳压器,尤其是LDO便相当简易,因为这类稳压器仅需两个外部电容即可操作。然而,线性稳压器的功率也许受限,这取决於该 IC 两端的输入至输出电压差大小和负载需要多大电流、以及封装的热阻特性,而这便对线性稳压器进入数位 IC供电领域造成了限制。


大电流单晶降压转换器的设计挑战

晶片制造技术线宽不断变窄,严格遵循了摩尔定律(最初构想於1965年),因此要求数位 IC 以更低电压运行。几何尺寸更小的制程允许在最终产品中整合更多需要大量功率的功能。例如,现代电脑伺服器和通讯路由系统需要更大的频宽,以处理更多计算资料和互联网流量。汽车具备更多车载电子产品,以提供娱乐、导航、自助驾驶功能,甚至引擎控制。结果是系统电流消耗和所需的总功率增加了。因此,需要先进的封装和创新性内部电源级设计,以将电源 IC 中的热量发散出来,同时提供超大功率。


较大的电源抑制比(PSRR)和较低的输出电压杂讯或涟波需求是另外两项需要考虑的挑战。具较大电源抑制比的元件能够更容易在输入端滤除和抑制杂讯,从而产生乾净和稳定的输出。此外,在宽广的频宽内具较低输出电压杂讯或较低输出涟波的元件有利於为今日的新式低杂讯轨供电,在这类电源轨中,杂讯灵敏度是设计时需要考虑的主要因素。随着对高阶 FPGA 速度要求的提高,电源杂讯容限不断降低以将误码减到最小。就这类高速 PLD 而言,杂讯引起的数位故障大幅降低了有效资料吞吐率。在大电流时,输入电源杂讯显然是一项重要但要求严苛的性能规格。


较高的收发器速率(例如在 FPGA)决定了较大的电流,因为几何尺寸小的电路在切换时功耗较大。这类IC速度很快,可能在几十至数百奈秒内便将负载电流从接近零增大到几安培,因此需要具超快暂态响应的稳压器。


随着为电源稳压器保留的电路板面积越来越小,人们也日益了解具较高开关频率的单晶开关稳压器减小了外部零组件尺寸,因此也减小了解决方案的整体尺寸,伴随而来的折衷,是由於较高频率时的开关损耗,效率有某种微小损失。不过,新一代单晶开关稳压器提供的一些独特功能,甚至在较高频率时也能显着降低开关损耗。也就是说,内建的高压侧和低压侧开关同步运行允许更良好地控制其闸极电压,而大幅缩短了死区时间,因此能以更高效率运行。


大电流单晶开关稳压器的最大挑战之一,是其散热能力,该热量来自 IC 中产生的大量功耗。透过使用耐热增强型球栅阵列(BGA)封装可因应此挑战,在此种封装中,大部分焊锡球都专门用於电源针脚(VIN、SW、GND),以便热量可以容易地从IC传送到电路板中。电路板上连接到这些电源针脚的较大铜平面允许热量更加均匀地散出。


大电流降压稳压器

显然,可解决本文所提出的相关问题的降压型转换器解决方案,需具备以下属性:


· 较高的开关频率减小外部元件尺寸


· 死区时间为零的设计提高效率


· 单晶内建功率元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需要的外部元件最少


· 低输出涟波


· 快速暂态响应


· 在宽广输入/输出电压范围内操作


· 能够提供很大的输出电流


· 杰出的热性能


· 精小的接脚占位


为了满足这些特定需求,ADI(Analog Devices, Inc.)推出Power by Linear 的 LTC71xx 系列单晶大电流降压稳压器。该系列 LTC7150S是一款20V/20A单晶同步降压转换器,具差分 VOUT 远端感测。该元件独特的可锁相受控导通时间、定频电流模式架构减轻了补偿负担,适合以高频操作的同时,还需快速暂态响应的高降压比应用。


LTC7150S运用 Silent Switcher 2 技术,包括内建的旁路电容,以在高频时提供具EMI性能的高效率解决方案。多达12个相位的多相运行允许直接并联多个元件,以透过最小的输入和输出电容提供更大的电流。


VOUT 远端感测确保负载端电压调节的准确性,不受负载电流或电路板布局的影响。其3.1V至20V的宽广输入范围支援多种应用,包括大多数中间汇流排电压,并且与多种电池类型相容。内建的N通道 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,适合负载点应用,例如大电流/低电压 DSP/FPGA/ASIC叁考设计。其他应用包括电讯/资通讯系统、分散式电源架构和一般的高功率密度系统。图1显示了一个典型的应用原理图,展示了设计的简便性。



图1 : LTC7150S 的典型应用原理图
图1 : LTC7150S 的典型应用原理图

LTC7150S 具备非常短的25ns最短导通时间,允许在高频操作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脉。在 -40。C至125。C 操作接面温度范围内,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感测放大器、PHMODE相位选择器针脚、准确的1.2V RUN针脚门槛、VIN过压保护、电源良好标记和可编程软启动 /追踪。


最後,LTC7150S采用耐热增强型42接脚6mm x 5mm x 1.3mm BGA封装,提供RoHS无铅和含铅 SnPb(63/37)涂层。E级和 I 级版本规定可在-40。C至125。C接面温度范围内操作。


高效率、更低 EMI 和快速暂态响应

元件型号LTC7150S中的“S”指的是第二代 Silent Switcher 技术。该IC整合了用於VIN 和BOOST的陶瓷电容,以保持很小的快速AC电流??路,进而改善EMI性能。此外,该元件允许更快速的开关切换边缘,这在高开关频率时可大幅提高效率。


LTC7150S独特的受控导通时间架构允许该IC快速响应暂态阶跃。这是在暂态阶跃时完成的开关频率自带加速能力,而能允许电感电流更良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,从而增加??路总频宽。


LTC7150S 允许在高频时实现高效率,这是因为该元件具备一个关键特点,即显着缩短了死区时间。该 IC 内部的伺服??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体导通的需求。在顶部开关导通时,可从根本上消除底部开关体二极体反向恢复的影响。因这个特点而使功耗显着降低。


更低的涟波电流可降低电感的磁芯损耗、输出电容的ESR损耗和输出电压涟波。在低频、小涟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。在元件尺寸、效率和工作频率之间需要折衷。图 2中的曲线显示了LTC7150S的高效率性能。



图2 : LTC7150S 的效率性能
图2 : LTC7150S 的效率性能

这种独特的定频 / 受控导通时间架构非常适合以高频操作的高降压比应用,同时需要快速暂态响应。图 3显示LTC7150S的暂态响应性能。



图3 : LTC7150S 的暂态响应性能
图3 : LTC7150S 的暂态响应性能

超低 DCR电流感测应用

LTC7130 是一款定频、峰值电流模式控制、同步降压 DC/DC 转换器,具温度补偿的超低 DCR 电流感测和时脉同步功能。该元件独特的架构减轻了补偿负担,能够直接并联以实现更强的输出电流能力。LTC7130并提高了电流感测讯号的讯号杂讯比,从而允许使用DC电阻非常低的功率电感,以在大电流应用中达到最高效率。该特点还减少了低DCR应用中常见的开关抖动,并提高了电流限制的准确度。


LTC7130的4.5V至20V输入范围支援多种应用,包括大多数中间汇流排电压,并与多种电池类型相容。内建的N通道MOSFET在0.6V至5.5V的输出电压范围内可提供高达20A的连续负载电流,从而使该元件非常适合负载点应用,例如大电流/低压 DSP/FPGA/ASIC 叁考设计。其他应用包括电讯/资料通讯系统、分散式电源架构和一般的高功率密度系统。图 4 显示一典型的应用电路。



图4 : LTC7130 的典型应用电路
图4 : LTC7130 的典型应用电路

表1为LTC7150S 和 LTC7130 的特点比较。


表1:比较 LTC7150S 和 LTC7130 的关键性能规格

叁数

LTC7150S

LTC7130

备注

VIN 范围

3.1V 至 20V

4.5V 至 20V

LTC7150S 可直接从 12V 汇流排、5V 或 3.3V 电源轨获得功率

VOUT 范围

0.6V 至 VIN

0.6V 至 5V

 

FSW 范围

400kHz 至 3MHz

250kHz 至 770kHz

LTC7150S 需要的外部元件更小

tON

25ns

90ns

LTC7150S 具备更快的暂态响应,因此 COUT 可以减小

多相

多达 12 个相位

多达 12 个相位
(使用外部时脉晶片)

 

电流限制

内部设定

用外部元件进行 DCR 感测

 

封装:BGA

6mm x 5mm x 1.3mm
(42 接脚)

6.25mm x 7.5mm x 2.22mm
(63 接脚)

 


结论

FPGA、微处理器等高性能数位 IC 的持续发展趋势,是电流越来越大,而相对地操作电压也越来越低,而这些是透过线宽日益变窄的晶片制造技术方能得以实现。然而,伴随这些进步而来的,是其他应用需求,在电源管理领域,这类需求包括需要快速暂态响应、低杂讯/低涟波、以及高效率运作以将热量降至最低。


传统上,为这些数位IC供电一直是透过LDO或基於电感的开关稳压器控制器和外置功率元件完成。不过,ADI提供了采用高热效率BGA封装的新一代单晶、大电流降压开关稳压器解决了这些问题,包括能解决多种应用为数位 IC 供电的问题。


(本文作者Steve Knoth1、Steve Zhou2为Analog Devices电源产品1资深产品行销工程师、2资深设计工程师)


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