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布景常识
杂乱的高功率密度数字集成电路(IC)，例如图形处理器单元(GPU)和现场可编程门阵列(FPGA)，常见于功用丰厚的电子环境中，包含:
- 轿车
- 医疗
- 电信
- 数据通讯
- 工业
- 通讯
- 游戏设备
- C消费类音频/视频
商场浸透率如此之高，全球对大电流低压数字IC的需求激增也就家常便饭了。当时全球商场规模预估超越18亿美元，估计该商场在2018年至2025年期间年增长率为10.87%，将到达37亿美元。作为该商场最大的组成部分之一，估计FPGA的商场规模到 2025年末将达15.3亿美元。数字IC商场的其他代表产品还包含GPU、微操控器和微处理器、可编程逻辑器材(PLD)、数字信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)。
高功率密度数字IC简直现已浸透进入一切的嵌入式体系。FPGA能够在上述商场范畴完结先进运用。例如，在轿车运用中，高档驾驶员辅佐体系(ADAS)和防撞体系能够防备由人为过错而引起的灾祸。相同，政府规则的安全功用（比方防抱死制动体系、安稳性操控和电子操控的独立悬挂体系等）也需求FPGA来发挥作用。
在消费类电子产品范畴，对物联网(IoT)功用、杂乱的图形引擎功用和机器对机器(M2M)功用的需求迫切需求先进的数字IC。海量数据存储、云核算中心以及光网络模块的扩展网络推动了对FPGA和数字IC的需求。
这些数字IC功用强大，但要求苛刻，特别是在功率需求方面。传统上，为FPGA和ASIC供电一向选用高效开关稳压器操控器驱动高功率MOSFET完结，可是这些根据操控器的电源计划存在潜在的噪声搅扰、相对较慢的瞬态呼应和布局约束等问题。近年来，可最大极限削减热量的小型且安静的低压差(LDO)稳压器现已被用作代替计划，但它依然存在本身的局限性。最近的电源转化立异引入了高功率单片式开关稳压器，它能够为数字IC有用供电，兼具低噪声和高功率，一起还最大极限地下降了空间需求。
开关稳压器、电荷泵与LDO稳压器
完结低电压、大电流降压转化与调理可选用多种办法，每种办法都有各自的功用和规划权衡考量。开关稳压器操控器能够在宽电压规模内和高负载电流下高效运转，但它们需求多个外部元件（如电感、电容和FET）才干运转；而这些元件或许会成为高频和低频噪声的来历。无电感电荷泵（或开关电容电压转化器）也能够用来发生低电压，但其输出电流才能受限，瞬态功用较差，而且需求多个外部元件。因而，电荷泵在数字IC电源运用中并不常见。线性稳压器（尤其是LDO稳压器）很简略，由于它们只需求两个外部电容即可作业。可是，它们的功率或许受限，这取决于IC两头输入到输出的电压差巨细、负载所需电流的巨细以及封装的热阻特性。这无疑约束了它们为数字IC供电的才能。
单片式降压型转化器的规划应战
摩尔定律自1965年面世以来，其远见性和有用性再三得到验证。晶圆制作技能的线宽不断缩小，然后下降了数字IC的电压。更小的几许形状工艺能够在终究产品中高度集成更多的高耗电功用。例如，现代核算机服务器和光通讯路由体系需求更宽的带宽来处理更多的核算数据和互联网流量；这些体系还会发生很多的热量，因而需求高功率的IC。轿车装备更多的车载电子设备，用于文娱、导航、自动驾驶功用乃至发动机操控。所以，体系的电流耗费和相应的总功耗都会添加。因而，需求先进的封装和内部功率级的立异规划将热量驱散出功率IC，一起供给更高的功率。
高电源按捺比(PSRR)和低输出电压噪声（或纹波）是重要的考虑要素。具有高电源按捺比的器材能够过滤和按捺输入噪声，然后取得洁净安稳的输出。此外，电源处理计划需求在宽带宽规模内具有低输出电压噪声（或低输出纹波），由于现代数字体系具有多个电源轨，其间噪声灵敏度是规划的首要考虑要素。跟着高端FPGA对速度要求的进步，电源噪声容差逐步下降，以最大极限地削减误码。噪声引起的数字毛病会大大下降这些高速PLD的有用数据吞吐速率。大电流下的输入电源噪声成为对电源要求更苛刻的标准之一。
收发器速率越高（例如在FPGA中），导致电流水平越高，这是由精密的几许形状电路切换发生的高功耗所造成的。这些IC速度很快。它们或许循环的在几十至几百纳秒内就使负载电流从挨近零到几安培，因而需求具有超快速瞬态呼应的稳压器。
跟着留给功率稳压器的电路板面积不断削减，许多体系规划人员转向运用作业于快速开关频率下的单片式开关稳压器，以减小外部元件的尺度和全体处理计划的尺度，这意味着需求承受因更高频率下的开关损耗而导致一些功率损耗的权衡取舍。运用新一代单片式开关稳压器能够防止这种权衡取舍。这些新的稳压器集成了高边和低边开关，具有同步操作功用，能够严格操控开关栅极电压，大大缩短了死区时刻，即便在高频率下也能够完结更高的功率。
大电流单片式开关的最大应战之一是能否发出由IC内功率损耗发生的热量。这一难题能够经过运用多个电源引脚和接地引脚以及带有铜(Cu)柱的耐热功用增强型层压式封装来处理，该封装能够很轻松地将热量从IC传输到电路板上。将较大的板上覆铜平面连接到这些电源引脚，使热量散布更均匀。
全新Silent Switcher降压型转化器系列
明显，合适高功用数字IC的降压型转化器处理计划有必要具有以下特性：
- 快速开关频率，以使外部元件的尺度最小
- 零死区时刻规划，以使高频功率最大
- 单芯片板载电源器材，以使处理计划尺度更小
- 多相操作支撑并联运转，以完结高输出电流并削减纹波
- 低EMI，以满意低体系噪声要求
- 同步操作，以完结高功率和低功率损耗
- 规划简略，以缩短规划周期并简化认证与测验
- 输出纹波极低
- 快速瞬态呼应时刻
- 在宽输入/输出电压规模内作业
- 高输出电流才能
- 超卓的散热功用
- 紧凑的尺度
ADI公司 Power by LinearTM LTC33xx系列单片式高、中和低电流降压型稳压器具有这些特性。电流最高的器材是LTC3310S, 它是一款5 V、10 A的高功率密度、低 Silent Switcher® 2 单片式同步降压型转化器，选用9 mm2 封装（功率密度 = 1.11 A/mm2)。该器材的固定频率峰值电流形式架构十分合适要求快速瞬态呼应的运用。LTC3310S选用集成了热环路旁路电容的Silent Switcher 2架构，可在高达5 MHz的频率下完结高功率、小占板面积的处理计划以及超卓的EMI功用。多相操作支撑最多四个器材直接并联，以供给高达40 A的输出电流。
LTC3310S的2.25 V至5.5 V输入规模支撑很多运用，包含大多数中心总线电压。集成的低导通电阻MOSFET可供给高达10 A的接连负载电流，且热降额很少。0.5 V至 VIN 的输出电压规模十分合适负载点运用，比方高电流、低电压的DSP/FPGA/GPU/ASIC规划。其他首要运用包含光网络、电信/数据通讯、轿车体系、散布式电源架构及任何中高功率密度体系。图1显现了典型规划的简洁性，图2则显现了发生4相 40A装备十分简略。
