大電流降壓型穩(wěn)壓器電源設(shè)計(jì)方案解析

芯片制造技術(shù)線寬不斷變窄，因此要求數(shù)字 IC 以更低電壓運(yùn)行。幾何尺寸更小的工藝允許在最終產(chǎn)品中集成更多需要大量功率的功能。

例如，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)服務(wù)器和通信路由系統(tǒng)需要更大的帶寬，以處理更多計(jì)算數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)流量。汽車有更多車載電子產(chǎn)品，以提供娛樂(lè)、導(dǎo)航、自助駕駛功能，甚至引擎控制。結(jié)果，系統(tǒng)電流消耗和所需的總功率增加了。因此，需要最先進(jìn)的封裝和創(chuàng)新性內(nèi)部電源級(jí)設(shè)計(jì)，以將電源 IC 中的熱量散出來(lái)，同時(shí)提供前所未有的大功率。

大電流應(yīng)用的電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)分析

此外，較大的電源抑制比和較低的輸出電壓噪聲或紋波需求是另外兩項(xiàng)需要考慮的挑戰(zhàn)。具較大電源抑制比的器件能夠更容易地在輸入端濾除和抑制噪聲，從而產(chǎn)生干凈和穩(wěn)定的輸出。在很寬的帶寬內(nèi)具較低輸出電壓噪聲或較低輸出紋波的器件有利于給如今的新式低噪聲軌供電，在這類軌中，噪聲靈敏度是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的主要因素。

較高的收發(fā)器速率也決定了較大的電流，因?yàn)閹缀纬叽绾苄〉碾娐吩谇袚Q時(shí)功耗較大。這類 集成電路速度很快，可能在幾十至數(shù)百納秒內(nèi)就將負(fù)載電流從接近零增大到幾安培，因此需要具超快瞬態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)壓器。

隨著為電源穩(wěn)壓器保留的電路板面積越來(lái)越小，大家也日益熟知，具較高開關(guān)頻率的單片開關(guān)穩(wěn)壓器減小了外部組件尺寸，因此也就減小了解決方案的總體尺寸，伴隨而來(lái)的折衷是，由于較高頻率時(shí)的開關(guān)損耗，效率有某種微小損失。不過(guò)，新一代單片開關(guān)穩(wěn)壓器提供一些獨(dú)特的功能，甚至在較高頻率時(shí)也能顯著降低開關(guān)損耗。也就是說(shuō)，集成的高壓側(cè)和低壓側(cè)開關(guān)同步運(yùn)行允許更好地控制其柵極電壓，這極大地縮短了死區(qū)時(shí)間，因此能夠以更高效率運(yùn)行。

大電流單片開關(guān)穩(wěn)壓器的最大挑戰(zhàn)之一是其散熱能力，其熱量來(lái)自 IC 中產(chǎn)生的大量功耗。通過(guò)使用耐熱增強(qiáng)型球珊陣列 (BGA) 封裝，可以應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，在這種封裝中，大部分焊錫球都專門用于電源引腳，以便熱量可以非常容易地從 IC 傳送到電路板中。電路板上連接到這些電源引腳的較大銅平面允許熱量更加均勻地散出。

典型的大電流降壓型穩(wěn)壓器解決方案

要解決上面提到的這些挑戰(zhàn)，需要采用具備以下屬性的降壓型轉(zhuǎn)換器解決方案：

較高的開關(guān)頻率 — 減小外部組件尺寸

死區(qū)時(shí)間為零的設(shè)計(jì) — 提高效率

單片 — 內(nèi)置功率器件以實(shí)現(xiàn)尺寸更小的解決方案

同步運(yùn)行 — 效率更高和功耗更低

簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì) — 需要的外部組件最少

非常低的輸出紋波

快速瞬態(tài)響應(yīng)

在寬輸入 / 輸出電壓范圍內(nèi)運(yùn)行

能夠提供很大的輸出電流

出色的熱性能

緊湊的占板面積

隨著數(shù)字系統(tǒng)電流越來(lái)越大、相應(yīng)地工作電壓越來(lái)越低，伴隨這些進(jìn)步而來(lái)的是在電源管理領(lǐng)域的更具挑戰(zhàn)性的需求，這類需求包括需要快速瞬態(tài)響應(yīng)、低噪聲 / 低紋波、以及高效率運(yùn)行以最大限度減少熱量。傳統(tǒng)上，給這些數(shù)字 IC 供電一直用 LDO 或基于電感器的開關(guān)穩(wěn)壓器控制器和外置功率器件完成。ADI提供了采用高熱效率 BGA 封裝的新一代單片、大電流降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，以解決這些問(wèn)題。這些產(chǎn)品包括 LTC7150S 和 LTC7130，這兩款器件都具有獨(dú)特的功能，以解決多種應(yīng)用為數(shù)字 IC 供電的問(wèn)題。

具有非常低紋波的高效率、1.5V/15A 降壓型轉(zhuǎn)換器LTC7130

為了滿足這些特定需求，凌力爾特推出了 LTC71xx 系列單片大電流降壓型穩(wěn)壓器。這個(gè)系列的最新成員是 LTC7150S，這是一款 20V/20A 單片同步降壓型轉(zhuǎn)換器，具差分 VOUT 遠(yuǎn)端檢測(cè)。該器件獨(dú)特的可鎖相受控接通時(shí)間、恒定頻率電流模式架構(gòu)減輕了補(bǔ)償負(fù)擔(dān)，非常適合以高頻運(yùn)行同時(shí)需要快速瞬態(tài)響應(yīng)的高降壓比應(yīng)用。LTC7150S 運(yùn)用 Silent Switcher® 2 技術(shù)，包括集成的旁路電容器，以在高頻時(shí)提供具卓越 EMI 性能的高效率解決方案。

多達(dá) 12 個(gè)相位的多相運(yùn)行允許直接并聯(lián)多個(gè)器件，以用最小的輸入和輸出電容提供更大的電流。VOUT 遠(yuǎn)端檢測(cè)確保負(fù)載端電壓調(diào)節(jié)是準(zhǔn)確的，不受負(fù)載電流或電路板布局的影響。其 3.1V 至 20V 的寬輸入范圍支持多種應(yīng)用，包括大多數(shù)中間總線電壓，而且與很多電池類型兼容。集成的 N 溝道 MOSFET 在 0.6V 至 VIN 輸出電壓范圍內(nèi)以最小的熱降額提供高達(dá) 20A 的連續(xù)負(fù)載電流，非常適合負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用，例如大電流 / 低電壓 DSP /FPGA/ ASIC 參考設(shè)計(jì)。其他應(yīng)用包括電信 / 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、分布式電源架構(gòu)和一般的高功率密度系統(tǒng)。

LTC7150S 的典型應(yīng)用原理圖

LTC7150S 非常短的 25ns 最短接通時(shí)間允許在高頻運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)高降壓比電源。工作頻率在 400kHz 至 3MHz 范圍內(nèi)是用戶可選的，并可同步至一個(gè)外部時(shí)鐘。在 –40°C 至 125°C 工作結(jié)溫范圍內(nèi)，LTC7150S 的總差分輸出電壓準(zhǔn)確度為 ±1%，其他特點(diǎn)包括高速差分遠(yuǎn)端檢測(cè)放大器、PHMODE 相位選擇器引腳、準(zhǔn)確的 1.2V RUN 引腳門限、VIN 過(guò)壓保護(hù)、電源良好標(biāo)記和可編程軟啟動(dòng) / 跟蹤。

滿足高效率、更低 EMI 和快速瞬態(tài)響應(yīng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

器件型號(hào) LTC7150S 中的“S”指的是第二代 Silent Switcher 技術(shù)。該 IC 集成了用于 VIN 和BOOST 的陶瓷電容器，以保持所有快速 AC 電流環(huán)路都很小，因此改善了 EMI 性能。此外，該器件允許更快速的開關(guān)切換邊沿，這在高開關(guān)頻率時(shí)極大地提高了效率。

LTC7150S 的效率性能

LTC7150S 獨(dú)特的受控接通時(shí)間架構(gòu)允許該 IC 快速響應(yīng)瞬態(tài)階躍。這是在瞬態(tài)階躍時(shí)完成的 —— 開關(guān)頻率自帶加速能力，這就允許電感器電流更好地追隨誤差放大器 (ITH) 輸出的意愿。這允許更積極地設(shè)定 ITH 補(bǔ)償，從而可增大環(huán)路總帶寬。

LTC7150S 允許在高頻時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率，這是因?yàn)樵撈骷幸粋€(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)，即顯著縮短了死區(qū)時(shí)間。該 IC 內(nèi)部的伺服環(huán)路在 SW 上升沿之前將死區(qū)時(shí)間鎖定為 <1ns。死區(qū)時(shí)間縮短最大限度減少/ 消除了對(duì)底部開關(guān)體二極管導(dǎo)通的需求。在頂部開關(guān)接通時(shí)，這從根本上消除了底部開關(guān)體二極管反向恢復(fù)的影響。因這個(gè)特點(diǎn)而使功耗相當(dāng)顯著地降低了。

更低的紋波電流可降低電感器的磁芯損耗、輸出電容器的 ESR 損耗和輸出電壓紋波。在低頻、小紋波電流時(shí)可實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行。不過(guò)，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)需要一個(gè)大型電感器。在組件尺寸、效率和工作頻率之間需要折衷。

這種獨(dú)特的恒定頻率 / 受控接通時(shí)間架構(gòu)非常適合以高頻運(yùn)行的高降壓比應(yīng)用，同時(shí)需要快速瞬態(tài)響應(yīng)。

LTC7150S 的瞬態(tài)響應(yīng)性能