如何为 SoC 系统更稳定、高效、干净供电?创新降压型稳压器正打破传统电源性能瓶颈

时间:2019-04-24 15:10来源:21Dianyuan

摘要:无论是大型数据中心将稳定供电及节能降耗作为其建设的主要考虑点,还是虚拟货币矿机的挖矿高能耗压力,或者到用户端的移动产品敏感的尺寸和待机时间指标,如何对系统提供高性能供电是令所有系统设计工程师头疼不已的难题。

近几年,随着半导体工艺节点的不断演进,由28nm到22nm,16nm,14nm,甚至7nm,5nm,芯片性能需求越来越高,设计的系统越来越复杂,规模也越来越大。然而,无论是大型数据中心将稳定供电及节能降耗作为其建设的主要考虑点,还是虚拟货币矿机的挖矿高能耗压力,或者到用户端的移动产品敏感的尺寸和待机时间指标,如何对系统提供高性能供电是令所有系统设计工程师头疼不已的难题。
 
迄今为止,高功率密度数字IC几乎已经渗透进入了所有的嵌入式系统,包括但不限于:工业、通信、电信、服务器、医疗、游戏、消费类音频/视频和汽车系统,这些基于高功率密度数字IC的系统对电源都有一套独特的要求。例如,在 FPGA较高的收发器速率 决定了较大的电流,因为几何尺寸很小的电路在切换时功耗较大,这类 IC 速度很快,可能在几十至数百纳秒内就将负载电流从接近零增大到几安培,因此需要具超快瞬态响应的稳压器。就目前这一代FPGA和ASIC处理器而言,大电流、低电压和快速瞬态响应相结合,对于给这些器件供电的电源提出了越来越严格的要求。尽管这些数字IC很强大,但是从电源角度来看却是很不稳定。
 
开关稳压器、充电泵or ……,各具优劣如何抉择?
通常情况下,就刚起步入门的数字IC设计人员而言,用于给这类器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,它们能以高效率运行,在很宽的电压范围内提供大电流,但是需要诸如电感器和电容器(以及在控制器情况下的FET)等外部组件才能运行。无电感器型充电泵(或开关电容器电压转换器)也可用来实现较低电压的转换,但是输出电流能力受限,有潜在的噪声干扰、较慢的瞬态响应和布局限制问题,在数字IC电源应用中并不常见。
 
因此近几年来,最大限度减少热量的低压差线性稳压器(LDO)一直被用作替代解决方案使用。作为新一代集成电路稳压器,LDO与三端稳压器最大的不同点在于,LDO是一个自耗很低的微型片上系统(SoC)。它可用于电流主通道控制,芯片上集成了具有极低线上导通电阻的MOSFET,肖特基二极管、取样电阻和分压电阻等硬件电路,并具有过流保护、过温保护、精密基准源、差分放大器、延迟器等功能。然而,LDO的功率也受限,这取决于该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,这就对其进入数字IC供电领域造成了限制。
 
而具较高开关频率的单片开关稳压器保持了比较优势,除了减小了外部组件尺寸因此减小了解决方案的总体尺寸,尽管会由于较高频率时的开关损耗效率有某种微小损失,而新一代单片开关稳压器甚至在较高频率时也能显著降低开关损耗。也就是说,集成的高压侧和低压侧开关同步运行允许更好地控制其栅极电压,这极大地缩短了死区时间,能够以更高效率运行。ADI旗下电源品牌Power by Linear™正是该技术的持续创新者,其最新的大电流降压型稳压器正在打破传统开关稳压器的这种瓶颈,不再需要进行性能折衷,并迅速得到广泛采用。
 
ADI支招,创新高性能降压型稳压器长这样
为了满足特定的系统供电需求,ADI制造了一系列兼具同步和异步开关的高性能降压型开关稳压器IC和降压型开关控制器IC产品。这些开关稳压器可提供从小于2V至高达100V以上的典型输入电压能力、高达4MHz的开关频率及高达96%的运作效率。利用突发模式(Burst Mode®)操作,可获得几十微安级的静态电流。这些特点的组合造就了外形非常小巧和扁平的降压型开关稳压器电路实现方案,并且所需的外部组件极少。
 
以ADI 创新型产品LTC7150S为例,这是一款20V/20A单片同步降压型转换器,具差分VOUT远端检测。该器件独特的可锁相受控接通时间、恒定频率电流模式架构减轻了补偿负担,非常适合以高频运行同时需要快速瞬态响应的高降压比应用。VOUT远端检测确保负载端电压调节是准确的,不受负载电流或电路板布局的影响。其3.1V至20V的宽输入范围支持多种应用,包括大多数中间总线电压,而且与很多电池类型兼容。集成的N沟道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,非常适合负载点应用,例如大电流/低电压DSP/FPGA/ASIC参考设计。其他应用包括电信/数据通信系统、分布式电源架构和一般的高功率密度系统。下图显示了LTC7150S一个典型的应用原理图,很好展示了其设计的简便性。
 
 
LTC7150S的典型应用原理图
 
此外,LTC7150S非常短的25ns最短接通时间允许在高频运行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钟。在–40°C至125°C工作结温范围内,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检测放大器、PHMODE相位选择器引脚、准确的1.2VRUN引脚门限、VIN过压保护、电源良好标记和可编程软件启动/跟踪。


高效率、更低EMI、快速瞬态响应,这些设计痛点怎么破?
要在大电流下通过EMI规定通常会涉及复杂的设计和测试挑战,包括在解决方案的尺寸、效率、可靠性和复杂性等众多方面的权衡。传统方法通过降低MOSFET开关边沿速率和/或降低开关频率来控制EMI。这两种策略都需要一些性能折衷,例如效率降低、最小导通和关闭时间增加以及解决方案尺寸更大。庞大复杂的EMI滤波器或金属屏蔽等替代缓解技术在电路板空间、元件和装配方面增加了大量成本,并使热管理和测试复杂化。
 
在传统的工业产品电源设计中,基本上都有隔离电源、理想二极管和低噪声电源等器件,且都是单电源回路。这些设计在碰到EMI等问题的时候,大都采用四层板或者六层板的设计,或者加隔离、屏蔽等方式解决。但ADI独创的Silent Switcher®则可以让开发者在两层板的设计中,轻松解决EMI干扰问题。
 
 
ADI独创的Silent Switcher®设计
 
LTC7150S便运用了Silent Switcher® 2技术,包括集成的旁路电容器,在高频时提供具卓越EMI性能的高效率解决方案,以及多达12个相位的多相运行允许直接并联多个器件,以用最小的输入和输出电容提供更大的电流。Silent Switcher 2架构通过集成热回路电容可自动消除EMI,从而最大限度地减小了噪声天线的尺寸,并且与集成MOSFET相结合,能够显著地减少开关节点振铃和热回路中存储的相关能量,即使存在非常快的开关边沿也不例外。因此可获得出色的EMI性能,同时最大限度地降低交流开关损耗。LTC7150S只需在前端使用一个简单的EMI滤波器,即可通过CISPR22/CISPR32传导和辐射EMI峰值限制。

LTC7150S 允许在高频时实现高效率,这是因为该器件有一个关键特点,即显著缩短了死区时间。该 IC 内部的伺服环路在 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管导通的需求。在顶部开关接通时,这从根本上消除了底部开关体二极管反向恢复的影响。因这个特点而使功耗相当显著地降低了。此外,更低的纹波电流可降低电感器的磁芯损耗、输出电容器的 ESR 损耗和输出电压纹波。在低频、小纹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器。在组件尺寸、效率和工作频率之间需要折衷。
 
快速瞬态响应也是设计中需要考虑的点,LTC7150S 独特的受控接通时间架构允许该 IC 快速响应瞬态阶跃。这是在瞬态阶跃时完成的 —— 开关频率自带加速能力,这就允许电感器电流更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,从而可增大环路总带宽。
 
高功率密度数字IC应用方兴未艾,高性能电源普及正当时
调研公司数据显示,不断扩大的大电流、低压数字 IC 市场规模达到了 92 亿美元。以FPGA应用为例,高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 和防撞系统等消除人为差错的汽车应用正在成为这类高端数字IC的新市场。此外,例如防锁刹车系统、稳定性控制和电气控制的独立悬架系统都必须使用 FPGA。在消费类电子产品领域,对IoT 和机器至机器通信的需求以及数据与服务器中心的增长,也是驱动 FPGA 市场增长的一些因素,需要存储大量数据和进行云计算是数据和服务器中心增长的驱动因素。
 
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瞬态响应、低噪声/低纹波、以及高效率运行以最大限度减少热量。传统上,给这些数字IC供电一直用LDO或基于电感器的开关稳压器控制器和外置功率器件完成。不过,以ADI公司为代表的全球领先电源解决方案提供商,正在以为典型的面向SoC和微处理器应用的新一代创新性降压型稳压器逐渐打破传统产品应用瓶颈,走向工业及汽车电子更多领域应用。

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