小尺寸高功率密度

背景知識(shí)

復(fù)雜的高功率密度數(shù)字集成電路(IC)，例如圖形處理器單元(GPU)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)，常見于功能豐富的電子環(huán)境中，包括：

·汽車

·醫(yī)療

·電信

·數(shù)據(jù)通信

·工業(yè)

·通信

·游戲設(shè)備

·消費(fèi)類音頻/視頻

市場(chǎng)滲透率如此之高，全球?qū)Υ箅娏鞯蛪簲?shù)字IC的需求激增也就不足為奇了。當(dāng)前全球市場(chǎng)規(guī)模預(yù)估超過(guò)18億美元，預(yù)計(jì)該市場(chǎng)在2018年至2025年期間年增長(zhǎng)率為10.87%，將達(dá)到37億美元。作為該市場(chǎng)最大的組成部分之一，預(yù)計(jì)FPGA的市場(chǎng)規(guī)模到2025年底將達(dá)15.3億美元。數(shù)字IC市場(chǎng)的其他代表產(chǎn)品還包括GPU、微控制器和微處理器、可編程邏輯器件(PLD)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和專用集成電路(ASIC)。

高功率密度數(shù)字IC幾乎已經(jīng)滲透進(jìn)入所有的嵌入式系統(tǒng)。FPGA可以在上述市場(chǎng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)先進(jìn)應(yīng)用。例如，在汽車應(yīng)用中，高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)和防撞系統(tǒng)可以預(yù)防由人為錯(cuò)誤而引起的災(zāi)難。同樣，政府規(guī)定的安全功能(諸如防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、穩(wěn)定性控制和電子控制的獨(dú)立懸掛系統(tǒng)等)也需要FPGA來(lái)發(fā)揮作用。

在消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)功能、復(fù)雜的圖形引擎功能和機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)功能的需求迫切需要先進(jìn)的數(shù)字IC。海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、云計(jì)算中心以及光網(wǎng)絡(luò)模塊的擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)推動(dòng)了對(duì)FPGA和數(shù)字IC的需求。

這些數(shù)字IC功能強(qiáng)大，但要求嚴(yán)苛，特別是在功率需求方面。傳統(tǒng)上，為FPGA和ASIC供電一直采用高效開關(guān)穩(wěn)壓器控制器驅(qū)動(dòng)高功率MOSFET完成，但是這些基于控制器的電源方案存在潛在的噪聲干擾、相對(duì)較慢的瞬態(tài)響應(yīng)和布局限制等問(wèn)題。近年來(lái)，可最大限度減少熱量的小型且安靜的低壓差(LDO)穩(wěn)壓器已經(jīng)被用作替代方案，但它仍然存在自身的局限性。最近的電源轉(zhuǎn)換創(chuàng)新引入了高功率單片式開關(guān)穩(wěn)壓器，它能夠?yàn)閿?shù)字IC有效供電，兼具低噪聲和高效率，同時(shí)還最大限度地降低了空間需求。

開關(guān)穩(wěn)壓器、電荷泵與LDO穩(wěn)壓器

實(shí)現(xiàn)低電壓、大電流降壓轉(zhuǎn)換與調(diào)節(jié)可采用多種方法，每種方法都有各自的性能和設(shè)計(jì)權(quán)衡考量。開關(guān)穩(wěn)壓器控制器能夠在寬電壓范圍內(nèi)和高負(fù)載電流下高效運(yùn)行，但它們需要多個(gè)外部元件(如電感、電容和FET)才能運(yùn)行;而這些元件可能會(huì)成為高頻和低頻噪聲的來(lái)源。無(wú)電感電荷泵(或開關(guān)電容電壓轉(zhuǎn)換器)也可以用來(lái)產(chǎn)生低電壓，但其輸出電流能力受限，瞬態(tài)性能較差，并且需要多個(gè)外部元件。因此，電荷泵在數(shù)字IC電源應(yīng)用中并不常見。線性穩(wěn)壓器(尤其是LDO穩(wěn)壓器)很簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼈冎恍枰獌蓚€(gè)外部電容即可工作。但是，它們的功率可能受限，這取決于IC兩端輸入到輸出的電壓差大小、負(fù)載所需電流的大小以及封裝的熱阻特性。這無(wú)疑限制了它們?yōu)閿?shù)字IC供電的能力。

單片式降壓型轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

摩爾定律自1965年問(wèn)世以來(lái)，其遠(yuǎn)見性和有效性一再得到驗(yàn)證。晶圓制造技術(shù)的線寬不斷縮小，從而降低了數(shù)字IC的電壓。更小的幾何形狀工藝可以在最終產(chǎn)品中高度集成更多的高耗電功能。例如，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)服務(wù)器和光通信路由系統(tǒng)需要更寬的帶寬來(lái)處理更多的計(jì)算數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)流量;這些系統(tǒng)還會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此需要高效率的IC。汽車配備更多的車載電子設(shè)備，用于娛樂(lè)、導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛功能甚至發(fā)動(dòng)機(jī)控制。于是，系統(tǒng)的電流消耗和相應(yīng)的總功耗都會(huì)增加。因此，需要先進(jìn)的封裝和內(nèi)部功率級(jí)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)將熱量驅(qū)散出功率IC，同時(shí)提供更高的功率。

高電源抑制比(PSRR)和低輸出電壓噪聲(或紋波)是重要的考慮因素。具有高電源抑制比的器件可以過(guò)濾和抑制輸入噪聲，從而獲得干凈穩(wěn)定的輸出。此外，電源解決方案需要在寬帶寬范圍內(nèi)具有低輸出電壓噪聲(或低輸出紋波)，因?yàn)楝F(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)具有多個(gè)電源軌，其中噪聲靈敏度是設(shè)計(jì)的主要考慮因素。隨著高端FPGA對(duì)速度要求的提高，電源噪聲容差逐漸降低，以最大限度地減少誤碼。噪聲引起的數(shù)字故障會(huì)大大降低這些高速PLD的有效數(shù)據(jù)吞吐速率。大電流下的輸入電源噪聲成為對(duì)電源要求更嚴(yán)苛的規(guī)范之一。

收發(fā)器速率越高(例如在FPGA中)，導(dǎo)致電流水平越高，這是由精細(xì)的幾何形狀電路切換產(chǎn)生的高功耗所致。這些IC速度很快。它們可能循環(huán)地在幾十至幾百納秒內(nèi)就使負(fù)載電流從接近零到幾安培，因此需要具有超快速瞬態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)壓器。

隨著留給功率穩(wěn)壓器的電路板面積不斷減少，許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)向使用工作于快速開關(guān)頻率下的單片式開關(guān)穩(wěn)壓器，以減小外部元件的尺寸和整體解決方案的尺寸，這意味著需要接受因更高頻率下的開關(guān)損耗而導(dǎo)致一些效率損耗的權(quán)衡取舍。使用新一代單片式開關(guān)穩(wěn)壓器可以避免這種權(quán)衡取舍。這些新的穩(wěn)壓器集成了高邊和低邊開關(guān)，具有同步操作功能，可以嚴(yán)格控制開關(guān)柵極電壓，大大縮短了死區(qū)時(shí)間，即使在高頻率下也可以實(shí)現(xiàn)更高的效率。

大電流單片式開關(guān)的最大挑戰(zhàn)之一是能否散發(fā)由IC內(nèi)功率損耗產(chǎn)生的熱量。這一難題可以通過(guò)使用多個(gè)電源引腳和接地引腳以及帶有銅(Cu)柱的耐熱性能增強(qiáng)型層壓式封裝來(lái)解決，該封裝可以很輕松地將熱量從IC傳輸?shù)诫娐钒迳?。將較大的板上覆銅平面連接到這些電源引腳，使熱量分布更均勻。

全新Silent Switcher降壓型轉(zhuǎn)換器系列

顯然，適合高性能數(shù)字IC的降壓型轉(zhuǎn)換器解決方案必須具有以下特性：

·快速開關(guān)頻率，以使外部元件的尺寸最小

·零死區(qū)時(shí)間設(shè)計(jì)，以使高頻效率最大

·單芯片板載電源器件，以使解決方案尺寸更小

·多相操作支持并聯(lián)運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)高輸出電流并減少紋波

·低EMI，以滿足低系統(tǒng)噪聲要求

·同步操作，以實(shí)現(xiàn)高效率和低功率損耗

·設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，以縮短設(shè)計(jì)周期并簡(jiǎn)化認(rèn)證與測(cè)試

·輸出紋波極低

·快速瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間

·在寬輸入/輸出電壓范圍內(nèi)工作

·高輸出電流能力

·出色的散熱性能

·緊湊的尺寸

ADI公司Power by Linear? LTC33xx系列單片式高、中和低電流降壓型穩(wěn)壓器具備這些特性。電流最高的器件是LTC3310S，它是一款5 V、10 A的高功率密度、低EMI Silent Switcher® 2單片式同步降壓型轉(zhuǎn)換器，采用9 mm2封裝(功率密度= 1.11 A/mm2)。該器件的固定頻率峰值電流模式架構(gòu)非常適合要求快速瞬態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用。LTC3310S采用集成了熱環(huán)路旁路電容的Silent Switcher 2架構(gòu)，可在高達(dá)5 MHz的頻率下實(shí)現(xiàn)高效率、小占板面積的解決方案以及出色的EMI性能。多相操作支持最多四個(gè)器件直接并聯(lián)，以提供高達(dá)40 A的輸出電流。

LTC3310S的2.25 V至5.5 V輸入范圍支持眾多應(yīng)用，包括大多數(shù)中間總線電壓。集成的低導(dǎo)通電阻MOSFET可提供高達(dá)10 A的連續(xù)負(fù)載電流，且熱降額極少。0.5 V至VIN的輸出電壓范圍非常適合負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用，比如高電流、低電壓的DSP/FPGA/GPU/ASIC設(shè)計(jì)。其他主要應(yīng)用包括光網(wǎng)絡(luò)、電信/數(shù)據(jù)通信、汽車系統(tǒng)、分布式電源架構(gòu)及任何中高功率密度系統(tǒng)。圖1顯示了典型設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔性，圖2則顯示了產(chǎn)生4相40 A配置非常簡(jiǎn)單。

圖1.LTC3310S典型應(yīng)用。

圖2.4個(gè)LTC3310S單片式穩(wěn)壓器并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)4相、40A降壓型穩(wěn)壓器。

LTC3310S低至35 ns的最短導(dǎo)通時(shí)間可實(shí)現(xiàn)高頻率下的大降壓比，并且當(dāng)輸入與輸出電壓值接近時(shí)，100%占空比操作可提供低壓差性能。工作頻率可同步至一個(gè)外部時(shí)鐘。LTC3310S的總體基準(zhǔn)電壓精度在-40°C至+125°C的工作結(jié)溫范圍內(nèi)優(yōu)于±1%。其他特性包括指示輸出處于穩(wěn)壓狀態(tài)的電源良好信號(hào)、精準(zhǔn)使能門限、輸出過(guò)壓保護(hù)、熱停機(jī)、芯片溫度監(jiān)視器、可編程軟啟動(dòng)、跟蹤、時(shí)鐘同步、模式選擇和輸出短路保護(hù)。

LTC3310S采用耐熱性能增強(qiáng)型18引腳3 mm×3 mm×0.94 mm LQFN封裝。E級(jí)和I級(jí)器件的額定工作結(jié)溫范圍為-40°C至+125°C，而J級(jí)和H級(jí)的額定工作結(jié)溫范圍為-40°C至+150°C。

高效率、低EMI和快速瞬態(tài)響應(yīng)

Silent Switcher降壓型穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)在高開關(guān)頻率(>2 MHz)下提供高效率、超低電磁干擾(EMI)輻射，從而可實(shí)現(xiàn)非常緊湊且低噪聲的降壓解決方案。Silent Switcher系列采用特殊的設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)，在2 MHz下能夠?qū)崿F(xiàn)>92%的效率，同時(shí)可以輕松符合CISPR 25 5類峰值EMI限制。新一代的Silent Switcher 2技術(shù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用銅柱代替鍵合線，增加了內(nèi)部旁路電容，以及集成式襯底接地平面以進(jìn)一步提高EMI，使其對(duì)PCB布局不敏感，從而可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并降低性能風(fēng)險(xiǎn)。

LTC3310S產(chǎn)品型號(hào)中的“S”代表它采用第二代Silent Switcher技術(shù)。IC集成了VIN陶瓷電容，以保持所有快速交流電流環(huán)路都很小，從而改善了EMI性能。該技術(shù)支持快速開關(guān)邊沿，在高開關(guān)頻率下可提供高效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的EMI性能(參見圖3、圖4和圖5)。此外，它允許更快速、更干凈的低過(guò)沖開關(guān)邊沿，從而大大提高了在高開關(guān)頻率下的效率。圖6顯示了LTC3310S的高效率性能。

圖3.CISPR 25傳導(dǎo)EMI輻射，5類峰值限制(電壓法)。

圖4.水平極性輻射。

圖5.垂直極性輻射。

圖6.LTC3310S效率性能。

LTC3310S的固定頻率峰值電流模式架構(gòu)簡(jiǎn)化了補(bǔ)償，使IC能夠快速響應(yīng)瞬態(tài)階躍。外部補(bǔ)償元件使控制環(huán)路得以優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更高帶寬和更快速的瞬態(tài)響應(yīng)。

采用2 mm × 2 mm封裝的6 A、4 A和3 A Silent Switcher降壓器

對(duì)于更高的功率密度，第一代Silent Switcher架構(gòu)是一個(gè)很好的解決方案。Silent Switcher拓?fù)渑cSilent Switcher 2拓?fù)漕愃疲皇荲IN旁路電容位于外部，而不是位于塑料密封的倒裝芯片層壓式封裝內(nèi)部。為了完全實(shí)現(xiàn)Silent Switcher的低EMI性能，需將外部VIN旁路電容對(duì)稱放置于封裝外部。這種電容分離式的對(duì)稱放置可以最大限度地減少熱環(huán)路的有效面積，從而降低EMI并縮小封裝占位尺寸。

LTC3309A、LTC3308A和LTC3307A是5 V輸入的穩(wěn)壓器，可分別支持6 A、4 A和3 A，以實(shí)現(xiàn)高功率密度、低EMI單片式降壓轉(zhuǎn)換。它們的工作頻率均可達(dá)3 MHz，封裝尺寸為4mm2(LTC3309A的功率密度= 1.5A/mm2)。

圖7顯示了一個(gè)LTC3309A的典型應(yīng)用。固定頻率峰值電流模式架構(gòu)非常適合于快速瞬態(tài)響應(yīng)，包括Burst Mode®操作期間的快速瞬態(tài)響應(yīng)(參見圖8)。LTC3309A采用Silent Switcher架構(gòu)，并利用了外部熱環(huán)路旁路電容。這種設(shè)計(jì)可在高工作頻率下實(shí)現(xiàn)高效率、小占板面積的解決方案和出色的EMI性能。

該系列輸入電壓范圍為2.25 V至5.5 V，可支持多種應(yīng)用，包括大多數(shù)中間總線電壓，并與鋰電池和鎳電池類型兼容。集成的低導(dǎo)通電阻MOSFET可提供高達(dá)6 A的連續(xù)負(fù)載電流。0.5 V至VIN的輸出電壓范圍非常適合負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用，比如高電流/低電壓DSP/FPGA/GPU/ASIC參考設(shè)計(jì)。其他主要應(yīng)用包括電信/數(shù)據(jù)通信和汽車系統(tǒng)、分布式電源架構(gòu)和通用電源系統(tǒng)。

LTC3309A、LTC3308A和LTC3307A可工作在強(qiáng)制連續(xù)或跳脈沖模式(以實(shí)現(xiàn)低噪聲)或低紋波、低IQ突發(fā)模式(以在輕負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)高效率)，非常適合電池供電型系統(tǒng)。低至22 ns的最短導(dǎo)通時(shí)間仍可實(shí)現(xiàn)高降壓比，即使電源工作在較高頻率下也是如此，并且當(dāng)輸入與輸出電壓值相同時(shí)，100%占空比操作可提供低壓差性能。工作頻率可同步至一個(gè)外部時(shí)鐘?？傮w基準(zhǔn)電壓精度在-55°C至+150°C的工作結(jié)溫范圍內(nèi)優(yōu)于±1%。該器件可在過(guò)載情況下安全地承受電感飽和。其他特性包括指示輸出處于穩(wěn)壓狀態(tài)的電源良好信號(hào)、內(nèi)部軟啟動(dòng)、精準(zhǔn)使能門限、輸出過(guò)壓與短路保護(hù)、熱停機(jī)和時(shí)鐘同步。

LTC3309A、LTC3308A和LTC3307A均為引腳兼容的器件，采用耐熱性能增強(qiáng)型、外形扁平的12引腳2 mm × 2 mm × 0.74 mm LQFN緊湊型封裝。E級(jí)和I級(jí)器件的額定工作結(jié)溫范圍為-40°C至+125°C。J級(jí)和H級(jí)的額定工作結(jié)溫范圍為-40°C至+150°C，MP級(jí)的額定工作結(jié)溫范圍為-55°C至+150°C。

圖7.LTC3309A典型應(yīng)用電路。

圖8.LTC3309A在突發(fā)模式操作時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)。

表1比較了LTC33xx Silent Switcher和Silent Switcher 2系列的產(chǎn)品特性。

表1.故障模式和支持的范圍

結(jié)論

高性能數(shù)字IC(例如GPU、FPGA和微處理器)的趨勢(shì)是電流需求迅速增加且工作電壓下降，這得益于晶圓制造技術(shù)的線寬縮小。電流和電壓需求只是整個(gè)電源設(shè)計(jì)的一個(gè)部分。數(shù)字IC的進(jìn)步還提出了許多其他要求，包括快速瞬態(tài)響應(yīng)、低EMI、低噪聲/紋波以及有效運(yùn)行以減少熱量。

傳統(tǒng)上，數(shù)字IC采用LDO穩(wěn)壓器或基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器控制器以及板外功率器件供電。隨著對(duì)電源性能和尺寸要求的提高，在許多情況下，這些傳統(tǒng)方法不再能勝任此任務(wù)。ADI公司新一代的單片式電源則完全能夠勝任，這些產(chǎn)品包括LTC3310S、LTC3309A、LTC3308A和LTC3307A，分別支持10 A、6 A、4 A和3 A。這些高功率密度的Silent Switcher和Silent Switcher 2降壓型穩(wěn)壓器采用高散熱效率、緊湊的倒裝芯片層壓式封裝，并具有多種特性組合，可滿足多種數(shù)字IC電源問(wèn)題的需求。