用于信號和數據處理電路的低噪聲、高電流、緊湊型DC-DC轉換器解決方案

Dong Wang

0 引言

現場可編程門陣列（FPGA）、片上系統（SoC）和微處理器等數據處理IC在電信、網絡、工業、汽車、航空電子和國防系統領域的應用不斷擴大。這些系統的一個共同點是處理能力不斷提高，導致原始功率需求相應增加。設計人員很清楚高功率處理器的熱管理問題，但可能不會考慮電源的熱管理問題。與晶體管封裝處理器類似，當低內核電壓需要高電流時，熱問題在最差情況下不可避免——這是所有數據處理系統的總體電源趨勢。

1 DC-DC轉換器需求概述：EMI、轉換比率、大小和散熱考慮

通常，FPGA/SoC/微處理器需要多個電源軌，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。產生這些電源軌的DC-DC轉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電壓，就要選用開關模式降壓轉換器，因為其在大降壓比時效率高。開關模式轉換器有數百種類型，但很多都可分為控制器（外部MOSFET）或單片穩壓器（內部MOSFET）。我們先看前者。

2 傳統控制器解決方案可能不符合要求

傳統開關模式控制器IC驅動外部MOSFET，包含外部反饋控制環路補償元件。由此產生的轉換器效率很高且功能多樣，同時提供高功率，但所需的分立元件數量使得設計相對復雜且難以優化。外部開關也會限制開關速度，在空間寶貴的情況下這是一個問題，比如在汽車或航空電子設備環境中，因為較低的開關頻率會導致整個元件體積較大。

另一方面，單片穩壓器則可以極大地簡化設計。本文深入討論整體解決方案，首先介紹如何減小尺寸，同時改善EMI。

3 不要忽視最小導通和關斷時間

另一個重要考慮因素是轉換器的最小導通和關斷時間，或其在從輸入電壓降至輸出電壓的占空比下運行的能力。降壓比越大，所需最小導通時間越低（也取決于頻率）。同樣，最小關斷時間對應于壓差：在輸出電壓不再受支持之前輸入電壓能降到多低。雖然增加開關頻率的好處是整體解決方案更小，但最小導通和關斷時間會設置工作頻率的上限。總之，這些值越低，在設計小尺寸和高功率密度時余地就越多。

4 注意真實的EMI性能

其他噪聲敏感器件要安全運行，還需要具備出色的EMI性能。在工業、電信或汽車應用中，電源設計的一個重點是最大限度地減少EMI。為了使復雜的電子系統能夠協同工作，不因EMI重疊而產生問題，采用了嚴格的EMI標準，如CISPR 25和CISPR 32輻射EMI規范。為了滿足這些要求，傳統電源方法通過減慢開關邊緣和降低開關頻率來減少EMI，前者降低了效率，提高了散熱，而后者降低了功率密度。

降低的開關頻率還可能違背CISPR 25標準中的530 kHz至1.8 MHz AM頻段EMI要求。可以采用機械減緩技術來降低噪聲水平，包括復雜、大尺寸的EMI濾波器或金屬屏蔽，但這些技術不但增加了大量成本，而且使電路板空間、元件數量和裝配復雜性增加，并進一步使熱管理和測試復雜化。這些策略都不能滿足小尺寸、高效率和低EMI的要求。

5 減小尺寸，同時改善EMI、熱性能和效率

很明顯，電源系統設計已變得十分復雜，這給系統設計人員帶來了沉重的負擔。為了減輕這種負擔，一個好的策略是尋找具有同時解決許多問題功能的電源IC解決方案：降低電路板的復雜性，高效率地工作，最大限度地減少散熱，并產生低EMI。支持多個輸出通道的功率IC可進一步簡化設計和生產。

開關集成在封裝中的單片電源IC可實現其中多個目標。例如，圖1所示為完整的雙路輸出解決方案板，說明了單片穩壓器的緊湊簡單。此處使用的IC中的集成MOSFET和內置補償電路只需要幾個外部元件。此解決方案的總尺寸僅為22 mm × 18 mm，部分通過相對較高的2 MHz開關頻率實現。

此電路板的原理圖如圖2所示。在此解決方案中，轉換器使用LT8652S的兩個通道，在2 MHz的頻率下運行，并在8.5 A下產生3.3 V電壓，在8.5 A下產生1.2 V電壓。可輕松修改此電路以產生包括3.3 V和1.8 V、3.3 V和1 V等在內的輸出組合。或者，為了利用LT8652S的寬輸入范圍，LT8652S可用作二級轉換器，再使用12 V、5 V或3.3 V前置穩壓器，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可同時為每個通道提供8.5 A，17 A用于并行輸出，高達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/微處理器應用的大多數輸入電壓組合。

6 雙路輸出、單片穩壓器的性能

圖3顯示了圖1所示解決方案的測量效率。對于單通道操作，在輸入電壓為12 V時，該解決方案的3.3 V電源軌的峰值效率達到94%，1.2 V電源軌的峰值效率達到87%。對于雙通道操作，LT8652S在12 V輸入電壓時每個通道達到90%的峰值效率，在8.5 A負載電流時每個通道達到86%的全負載效率。由于關斷時間跳過功能，LT8652S的延長占空比接近100%，使用最低輸入電壓范圍調節輸出電壓。20 ns典型最小導通時間甚至使其可在高開關頻率下操作穩壓器，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尺寸和成本，同時避免了AM頻段。具有集成旁路電容的Silent Switcher 2技術可防止可能出現的布局或生產問題，從而避免影響出色的臺式EMI和效率性能。

7 高電流負載的差分電壓檢測

對于高電流應用，每一英寸PCB線路都會導致大幅壓降。對于現代核心電路中需要極窄電壓范圍的典型低電壓、高電流負載，壓降會導致嚴重的問題。LT8652S提供差分輸出電壓檢測功能，允許客戶創建開爾文連接，以實現輸出電壓檢測和直接從輸出電容進行反饋。它可以校正最高±300 mV的輸出接地線路電位。圖4顯示了LT8652S利用差分檢測功能對兩個通道進行的負載調整。

8 監控輸出電流

在一些高電流應用中，必須收集輸出電流信息來進行遙測和診斷。此外，根據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載。因此，需要進行恒壓、恒流操作以精確調節輸出電流。LT8652S使用IMON引腳監控并減少負載的有效調節電流。

當IMON調節負載設置電流時，可根據IMON和GND之間的電阻來配置IMON以減小此調節電流。負載/電路板溫度降額可使用正溫度系數熱敏電阻來設置。當電路板/負載溫度上升時，IMON電壓增加。為了減小調節電流，將IMON電壓與內部1 V基準電壓進行比較以調節占空比。IMON電壓可低于1 V，這樣就不會產生影響。圖5顯示了激活IMON電流環路前后的輸出電壓和負載電流曲線。

9 低電磁輻射（EMI）

為了使復雜的電子系統能夠工作，對單個元件解決方案應用了嚴格的EMI標準。為了在多個行業中保持一致性，廣泛采用了各種標準，如CISPR 32工業標準和CISPR 25汽車標準。為了獲得出色的EMI性能，LT8652S在EMI消除設計中采用了領先的Silent Switcher 2技術，并使用集成環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顯示了圖1所示LT8652S標準演示板的EMI測試結果。圖6a顯示了峰值檢測器的CISPR 25輻射EMI結果，圖6b顯示了CISPR 32輻射EMI結果。

10 可獲得更大電流和更好熱性能的并聯操作

隨著數據處理速度的飆升和數據量的倍增，為滿足這些需求，FPGA和SoC的能力也隨之擴展。電源需要功率，且電源應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單性和穩健性的優點。對于要求超過17 A電流能力的處理器系統，可將多個LT8652S并聯且錯相運行。

圖7顯示了兩個并聯的轉換器可在1 V時提供34 A輸出電流。通過將U1的CLKOUT連接至U2的SYNC，使主單元時鐘與從單元同步。由此產生的每通道90°相位差減少了輸入電流紋波，并將熱負載擴散到電路板上。

為確保在穩定狀態和啟動期間更好的均流，將VC、FB、SNSGND和SS連接在一起。建議使用開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靠近VIN引腳放置。

由于駕駛條件可能發生劇烈、頻繁和快速變化，SoC必須及時適應快速變化的負載，因此，汽車SoC施加的負載瞬態要求可能很難滿足。外圍電源的負載電流壓擺率達100 A/μs，核心電源的壓擺率甚至更高，這是很常見的。然而，在快速負載電流壓擺率下，必須將電源輸出的電壓瞬變最小化。>2 MHz的快速開關頻率可快速恢復瞬變，且輸出電壓偏移最小。圖7顯示了利用快速開關頻率和穩定動態環路響應的正確環路補償元件值。在電路板布局中，最大限度地減少電路輸出電容到負載的線路電感也至關重要。

11 結論

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增加。隨著所需功率電軌數量及其承載能力的增加，必須考慮設計小型電源系統，并加快系統性能。LT8652S是電流模式、8.5 A、18 V同步Silent Switcher 2降壓穩壓器，輸入電壓范圍為3 V至18 V，適用于從單節鋰離子電池到汽車輸入的輸入源應用。

LT8652S的工作頻率范圍為300 kHz～3 MHz，使設計人員可盡量減少外部元件尺寸并避免關鍵頻段，如調頻廣播。Silent Switcher 2技術可保證出色的EMI性能，既不會犧牲開關頻率和功率密度，也不會犧牲開關速度和效率。Silent Switcher 2技術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可能引起的意外EMI，從而簡化了設計和生產。

Burst Mode （突發工作模式）操作將靜態電流減少到只有16 μA，同時使輸出電壓紋波保持在低值。4 mm × 7 mm LQFN封裝和極少數外部元件可確保外形緊湊，同時盡量減少解決方案成本。LT8652S的24 mΩ/8 mΩ開關提供超過90%的效率，而可編程欠壓閉鎖（UVLO）可優化系統性能。輸出電壓的遠程差分檢測在整個負載范圍內都保持高精度，同時不受線路阻抗的影響，從而最大限度地降低外部變化造成負載損壞的可能性。其他功能包括內部/外部補償、軟啟動、頻率折返和熱關斷保護。

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