小巧高效的单芯片稳压器采用 Silent Switcher 2技术,为先进 SoC 和微处理器供电以降低 EMI

时间:2018-12-25 08:53来源:21Dianyuan

摘要:随着高功率需求元件的增加以及数据处理速度的提高,后续每一代SoC和FPGA都会增加功率预算,以便支持电信、音频或视频数据的实时流。只有强健、易用的低压电源才能满足这些要求,这些电源需要有高效率、高功率密度和低电磁辐射。

本文作者 :Ying Cheng and Zhongming Ye ADI公司


汽车、电信、数据通信和工业系统不断采用越来越多数量的先进SoC(片上系统)、FPGA和微处理器解决方案。随着高功率需求元件的增加以及数据处理速度的提高,后续每一代SoC和FPGA都会增加功率预算,以便支持电信、音频或视频数据的实时流。只有强健、易用的低压电源才能满足这些要求,这些电源需要有高效率、高功率密度和低电磁辐射。

SoC和FPGA需要许多低压电源,包括1.1 V(用于DDR)、0.8 V(用于内核)和3.3 V/1.8 V(用于I/O设备)。由宽范围的汽车电池或工业总线电压提供1 V以下电压通常需要两级转换:中间稳压级转换至12 V或5 V,再由另一级转换至低电压。每级DC-DC转换必须具有高效率并通过EMI标准,以使整个电源系统能够满足严苛的汽车、电信、数据通信和工业规范要求。

使用传统降压稳压器可能难以满足尺寸、效率和EMI设计目标。1 V以下的降压稳压器传统上依赖于体积大且EMI噪声高的PWM控制器和MOSFET。汽车和工业系统要求必须采用更紧凑、更高电流能力、更高效率的器件,更重要的是,具有出色的EMI性能。Power by Linear™的单芯片Silent Switcher® 2降压稳压器LTC7150SLT8642S系列旨在满足先进SoC的功率要求,具有高可靠性和鲁棒性,同时满足EMI、尺寸和热限制要求。
 

Silent Switcher 2架构实现出色的EMI性能

使用传统的DC-DC控制器很难满足已发布的EMI标准,因此如果可能的话,通常会在设计初期解决EMI问题。EMI问题若出现在系统设计和开发的后期,则会需要耗费大量的时间和成本排除故障和重新设计。造成项目延迟、市场损失和商业声誉受损的风险太大,不容小觑。为在整个电源设计过程中确保通过EMI认证,通常优先考虑EMI抑制,有时甚至会过度设计,其代价是牺牲其他所需的性能,包括解决方案的尺寸、总体效率、可靠性和简洁性。

传统方法通过减慢开关边沿和/或降低开关频率来控制EMI。例如,可以添加栅极电阻或缓冲器以减慢导通或关断的开关边沿,并降低开关频率来降低EMI。然而,这些策略随之带来重大的折衷,包括增加最小导通时间、限制电压转换比和增加解决方案尺寸。体积庞大的EMI滤波器或金属屏蔽等替代缓解技术使电路板尺寸、元件数量和装配复杂性增加,也随之带来了大量成本,并使热管理和测试更加复杂。这些策略都不能满足严苛的小尺寸、高效率和低EMI的SoC功率预算要求。

LT8642S是一款采用4 mm×4 mm LQFN封装的18 V/10 A降压单芯片Silent Switch 2稳压器。图1显示12 V至1.2 V/10 A LT8642S解决方案及其超低EMI结果。LT8642S只需采用铁氧体磁珠和输入电容作为EMI输入滤波器,就可以满足严格汽车行业广泛采用的CISPR 25 Class 5辐射EMI规范要求,并提供足够的裕量。另一个常见的EMI规范是消费电子制造商常用的CISPR 32。即使不使用EMI输入滤波器,LT8642S也能轻松满足CISPR 32 B类辐射EMI规范。


 
图1.使用LT8642S的超低EMI 1.2 V/10 A应用。
 
LTC7150S是同类产品中首款20 A高效降压稳压器,采用Silent Switcher 2技术,可最大限度地减小电磁辐射,从而极大地简化EMI滤波器的设计和布局,非常适用于噪声敏感环境。ADI公司专有的Silent Switcher 2架构带来了出色的EMI性能,同时最大限度地降低了单芯片稳压器中的交流开关损耗。IC中包含热回路电容。它与集成MOSFET相结合,可显著减小高噪声天线的尺寸并最大限度地降低EMI。

开关节点振铃被最大限度地减少,从而降低高频噪声以及热回路中存储的相关能量。此外,热回路分为对称分布的两部分,可以使EMI相互抵销。因而在噪声敏感的汽车环境中能够实现低噪声供电,其中功能强大的SoC用于高级驾驶辅助系统(ADAS)或自动驾驶系统。这也满足了电信、运输和工业系统的要求,这些系统需要高效率、低噪声的电源来为新一代SoC、CPU和微处理器供电。
LTC7150S只需在前端放置一个简单的EMI滤波器即可通过CISPR 25辐射EMI峰值限制,如图2中原理图所示,其中放置了一个带铁氧体磁珠的简单滤波器。图3显示辐射EMI CISPR 25的测试结果,该线路可通过CISPR 25 Class 5峰值限制。


 
图2.带有EMI滤波器的LTC7150S。
 
并联多个转换器以增加输出电流

自动驾驶和自动停车等高级功能需要更强大的SoC来实现实时视频流或人工智能。同样,电信和大数据装置中的计算系统和服务器系统也包含高性能SoC解决方案,这些解决方案需要的功率比以往更高。对于要求超过20 A电流能力的处理器系统,可将多个LTC7150S并联且错相运行。

LTC7150S具有同步功能,支持与外部时钟同步,而内部PLL(锁相环)允许LTC7150S错相运行,实现多通道、多相位工作,以减少纹波。CLKOUT信号可以连接至后一个LTC7150S的MODE/SYNC引脚,以使整个系统的频率和相位保持一致。在PHMODE引脚上实现多相位工作。将PHMODE引脚连接至INTVCC、SGND或者使之保持悬空会在MODE/SYNC引脚上施加的时钟与CLKOUT之间产生相位差;180°、120°或90°的相位差分别对应于2相、3相或4相工作。通过编程将每个LTC7150S的PHMODE引脚设为不同的电压电平,总计12个通道可以互相错相运行。


 
图3.LTC7150S的EMI辐射性能。
 
图4显示两个并联的转换器可在1.2 V时提供40 A输出电流。通过将U1的CLKOUT连接至U2的MODE/SYNC,使主单元时钟与从单元同步。主PHMODE引脚接地,从机PHMODE引脚悬空。这使两个通道之间产生180°的相位差,从而减小了输入电流纹波。为确保在稳定状态和启动期间更好的均流,将ITH、FB和TRACK/SS连接在一起。需要使用本地RT电阻,因此RT不应连接在一起。建议使用开尔文连接以获得精确的反馈和抗噪性能。在接地引脚附近将尽可能多的电源通孔放置到底层,以改善热性能。输入热回路的陶瓷电容应靠近VIN引脚放置。

 
图4.并联两个LTC7150S稳压器,将输出电流能力提至40 A。
 
在启动和稳态期间,电感电流保持均衡,如图6所示。当输入为3.3 V时,32 A输出的效率可高达89%。

 
图5.图4电路中40 A输出的效率。
 
 
图6.并联解决方案的电感电流波形。
 
 
图7.使用LT8642S的50 W (5 V/10 A)解决方案。
 
表1.大电流单芯片稳压器
  输入电压(V) 输入电压(V) 电流(A) 频率(MHz) 最小 TON (ns)典型值 封装
LT8642S 2.8至18 1 10 0.2至3 20 4 mm × 4 mm LFCSP
LTC3636 3.1至20 2 6/6 0.5至4 30 4 mm × 5 mm QFN
LTC7124 3.1至17 2 3.5/3.5 0.5至4 50 3 mm × 5 mm QFN
LTC7150S 3.1至20 1 20 0.4至3 20 6 mm × 5 mm BGA
LTC7151S 3.1至20 1 15 0.4至3 20 4 mm × 5 mm LQFN
 

高开关频率提供高效紧凑的解决方案

Silent Switcher 2架构不仅能够在LT8642S应用中实现出色的EMI性能,还可产生快速、干净的开关边沿,从而降低开关损耗。最低开关损耗以及仅20ns的最小导通时间有助于在高开关频率下工作,实现高效率的小尺寸解决方案。例如,12 V至1.2 V的LT8642S解决方案可在2 MHz开关频率下实现超过88%的效率。此外,借助其高速峰值电流模式架构,LT8642S可在过载或短路条件下使用饱和电感安全工作。因此,可以根据输出负载的要求来选择电感。

紧凑型电源解决方案通常与热性能要求相冲突。LT8642S能够借助高效率的增强型热性能封装来解决这种典型的权衡难题。图7展示1 MHz开关频率下5 V/10 A的LT8642S解决方案。对于12 V输入,LT8642S提供50 W功率且峰值效率达97%以上时,壳温温升低于47℃。

图8显示3 MHz的LT8642S解决方案。通过使用小电感和低容值的输出电容,可以尽可能缩小高频工作的解决方案尺寸。


 
图8.使用LT8642S实现3.3 V、3 MHz应用。
 
LT8642S还具有使能控制、PG指示和软启动功能。这些功能对于SoC和FPGA电源所需的系统上电时序至关重要。

ADI公司的Power by Linear产品组合提供各种降压稳压器,以满足先进SoC、FPGA和微处理器宽范围的功耗预算。表1列出了其中一些器件及其电流能力。


结论

工业和汽车领域应用要求提供更高智能和自动化水平以及更多检测功能,使得电子系统数量激增,对电源性能的要求亦越来越高。低EMI已从设计后期的考虑事项提升至最高优先级,同时解决方案的尺寸、高效率、散热性、鲁棒性和易用性仍很重要。

ADI公司的单芯片稳压器在这些方面表现出色,可满足汽车、电信、数据中心和工业客户的要求。特别是包括LTC7150S和LT8642S在内的高性能单芯片稳压器系列,采用专有的Silent Switcher技术,能够以紧凑的尺寸满足严苛的EMI标准。利用集成式MOSFET和集成热管理功能,输入范围高达20 V时,可实现几安培到20 A以上稳定可靠的电流输送。此外还内置使能控制、PG指示和软启动功能,因此只需少量元件就能完成电源设计。


作者简介

Ying Cheng毕业于密苏里科技大学(原密苏里大学罗拉分校),获电气工程博士学位。她曾在凌力尔特(现为ADI公司的一部分)工作六年,担任Power by Linear部门高级应用工程师,负责DC-DC开关稳压器和LDO稳压器相关工作。联系方式:ying.cheng@analog.com

Zhongming Ye是ADI公司的一名电源产品高级应用工程师,工作地点位于美国加利福尼亚州米尔皮塔斯。他自2009年以来一直在凌力尔特(现为ADI公司的一部分)工作,负责提供各种不同产品的应用支持,包括降压、升压、反激式和正激式转换器。他在电源管理领域的关注点包括面向汽车、医疗和工业应用的高效率、高功率密度和低 EMI 的高性能电源转换器和稳压器。在加入ADI公司之前,他在Intersil公司工作了三年,从事隔离式电源产品的PWM控制器相关工作。他拥有加拿大金斯顿女王大学电气工程博士学位。Zhongming是IEEE电力电子学会的高级会员。联系方式:zhongming.ye@analog.com

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