小尺度高功率密度的电源完成

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，消费类音频/视频。

图1.LTC3310S典型运用。

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可以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)和防撞体系可以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)稳压器现已被用作替代计划，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，它可以为数字IC有用供电，兼具低噪声和高功率，一同还最大极限地下降了空间需求。

图2.4个LTC3310S单片式稳压器并联构成一个4相、40A降压型稳压器。

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。开关稳压器操控器可以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）也可以用来发生低电压，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。

图3.CISPR 25传导EMI辐射，5类峰值约束（电压法）。

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可以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，一同供给更高的功率。

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可以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对速度要求的前进，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。它们或许循环地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，这意味着需求接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可以防止这种权衡取舍。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，可以严格操控开关栅极电压，大大缩短了死区时刻，即便在高频率下也可以完结更高的功率。

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。这一难题可以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，该封装可以很轻松地将热量从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。

图4.水平极性辐射。

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

图5.笔直极性辐射。

ADI公司Power by Linear™ 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EMI 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V_IN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40 A装备十分简略。

LTC3310S低至35 ns的最短导通时刻可完结高频率下的大降压比，而且当输入与输出电压值挨近时，100%占空比操作可供给低压差功用。作业频率可同步至一个外部时钟。LTC3310S的整体基准电压精度在-40°C至+125°C的作业结温规模内优于±1%。其他特性包含指示输出处于稳压状况的电源杰出信号、精准使能门限、输出过压维护、热停机、芯片温度监视器、可编程软启动、盯梢、时钟同步、形式挑选和输出短路维护。

LTC3310S选用耐热功用增强型18引脚3 mm×3 mm×0.94 mm LQFN封装。E级和I级器材的额外作业结温规模为-40°C至+125°C，而J级和H级的额外作业结温规模为-40°C至+150°C。

图6.LTC3310S功率功用。

高功率、低EMI和快速瞬态呼应

Silent Switcher降压型稳压器规划在高开关频率(>2 MHz)下供给高功率、超低电磁搅扰(EMI)辐射，然后可完结十分紧凑且低噪声的降压处理计划。Silent Switcher系列选用特别的规划和封装技能，在2 MHz下可以完结>92%的功率，一同可以轻松契合CISPR 25 5类峰值EMI约束。新一代的Silent Switcher 2技能的内部结构选用铜柱替代键合线，添加了内部旁路电容，以及集成式衬底接地平面以进一步前进EMI，使其对PCB布局不灵敏，然后可简化规划并下降功用危险。

LTC3310S产品型号中的“S”代表它选用第二代Silent Switcher技能。IC集成了V_IN陶瓷电容，以坚持一切快速沟通电流环路都很小，然后改进了EMI功用。该技能支撑快速开关边缘，在高开关频率下可供给高功率，一同完结杰出的EMI功用（参见图3、图4和图5）。此外，它答应更快速、更洁净的低过冲开关边缘，然后大大前进了在高开关频率下的功率。图6显现了LTC3310S的高功率功用。

LTC3310S的固定频率峰值电流形式架构简化了补偿，使IC可以快速呼应瞬态阶跃。外部补偿元件使操控环路得以优化，以完结更高带宽和更快速的瞬态呼应。

图7.LTC3309A典型运用电路。

选用2 mm × 2 mm封装的6 A、4 A和3 A Silent Switcher降压器

关于更高的功率密度，第一代Silent Switcher架构是一个很好的处理计划。Silent Switcher拓扑与Silent Switcher 2拓扑相似，仅仅V_IN旁路电容坐落外部，而不是坐落塑料密封的倒装芯片层压式封装内部。为了彻底完结Silent Switcher的低EMI功用，需将外部V_IN旁路电容对称放置于封装外部。这种电容分离式的对称放置可以最大极限地削减热环路的有用面积，然后下降EMI并缩小封装占位尺度。

LTC3309A、LTC3308A和LTC3307A是5 V输入的稳压器，可别离支撑6 A、4 A和3 A，以完结高功率密度、低EMI单片式降压转化。它们的作业频率均可达3 MHz，封装尺度为4mm²（LTC3309A的功率密度= 1.5A/mm²）。

图7显现了一个LTC3309A的典型运用。固定频率峰值电流形式架构十分合适于快速瞬态呼应，包含Burst Mode^®操作期间的快速瞬态呼应（参见图8）。LTC3309A选用Silent Switcher架构，并利用了外部热环路旁路电容。这种规划可在高作业频率下完结高功率、小占板面积的处理计划和超卓的EMI功用。

该系列输入电压规模为2.25 V至5.5 V，可支撑多种运用，包含大多数中心总线电压，并与锂电池和镍电池类型兼容。集成的低导通电阻MOSFET可供给高达6 A的接连负载电流。0.5 V至V_IN的输出电压规模十分合适负载点运用，比方高电流/低电压DSP/FPGA/GPU/ASIC参阅规划。其他首要运用包含电信/数据通讯和轿车体系、散布式电源架构和通用电源体系。

LTC3309A、LTC3308A和LTC3307A可作业在强制接连或跳脉冲形式（以完结低噪声）或低纹波、低I_Q突发形式（以在轻负载条件下完结高功率)，十分合适电池供电型体系。低至22 ns的最短导通时刻仍可完结高降压比，即便电源作业在较高频率下也是如此，而且当输入与输出电压值相一同，100%占空比操作可供给低压差功用。作业频率可同步至一个外部时钟。整体基准电压精度在-55°C至+150°C的作业结温规模内优于±1%。该器材可在过载情况下安全地接受电感饱满。其他特性包含指示输出处于稳压状况的电源杰出信号、内部软启动、精准使能门限、输出过压与短路维护、热停机和时钟同步。

LTC3309A、LTC3308A和LTC3307A均为引脚兼容的器材，选用耐热功用增强型、外形扁平的12引脚2 mm × 2 mm × 0.74 mm LQFN紧凑型封装。E级和I级器材的额外作业结温规模为-40°C至+125°C。J级和H级的额外作业结温规模为-40°C至+150°C，MP级的额外作业结温规模为-55°C至+150°C。

图8.LTC3309A在突发形式操作时的瞬态呼应。

表1比较了LTC33xx Silent Switcher和Silent Switcher 2系列的产品特性。

表1.毛病形式和支撑的规模

定论

高功用数字IC（例如GPU、FPGA和微处理器）的趋势是电流需求敏捷添加且作业电压下降，这得益于晶圆制作技能的线宽缩小。电流和电压需求仅仅整个电源规划的一个部分。数字IC的前进还提出了许多其他要求，包含快速瞬态呼应、低EMI、低噪声/纹波以及有用运转以削减热量。

传统上，数字IC选用LDO稳压器或根据电感的开关稳压器操控器以及板外功率器材供电。跟着对电源功用和尺度要求的前进，在许多情况下，这些传统办法不再能担任此使命。ADI公司新一代的单片式电源则彻底可以担任，这些产品包含LTC3310S、LTC3309A、LTC3308A和LTC3307A，别离支撑10 A、6 A、4 A和3 A。这些高功率密度的Silent Switcher和Silent Switcher 2降压型稳压器选用高散热功率、紧凑的倒装芯片层压式封装，并具有多种特性组合，可满意多种数字IC电源问题的需求。

作者简介

Steve Knoth是ADI公司电源部分的高档产品营销司理。他担任一切电源办理集成电路(PMIC)产品、低压差(LDO)稳压器、电池充电器、电荷泵、根据电荷泵的发光二极管驱动器、超级电容器充电器和低压单片开关稳压器。Steve从1990年起在Micro Power Systems、ADI公司和Micrel Semiconductor担任过多种营销和产品工程职位，之后于2004年再次参加ADI公司。他于1988年取得圣何塞州立大学电气工程学士学位，并于1995年取得该大学物理学硕士学位。2000年，Steve还取得了凤凰城大学技能办理硕士学位(MBA)。除了与孩子们一同享用美好时光之外，Steve仍是一位疯狂的音乐爱好者，并喜爱玩弹球/街机游戏或肌肉车，以及购买、出售、保藏古玩玩具和电影/体育/轿车纪念品。