為什么對(duì)MLCC電源的要求那么高？

伴隨著智能電子、自動(dòng)化和傳感器在工業(yè)和汽車環(huán)境中的普及，提高了對(duì)電源數(shù)量和性能的要求。特別是低 EMI，已成為更加重要的關(guān)鍵電源參數(shù)考量因素，除此以外，還包括小解決方案尺寸、高效率、熱性能、穩(wěn)健性和易用性等常規(guī)要求。

多層陶瓷電容器(MLCC)的價(jià)格在過(guò)去幾年急劇上漲，究其原因，與汽車、工業(yè)、數(shù)據(jù)中心和電信行業(yè)使用的電源數(shù)量增加有關(guān)。陶瓷電容被用在電源輸出端，用于降低輸出紋波，以及控制因?yàn)楦邏簲[率加載瞬變而導(dǎo)致的輸出電壓過(guò)沖和欠沖。輸入端則要求陶瓷電容進(jìn)行解耦和過(guò)濾 EMI，這是因?yàn)樵诟哳l率下，它具備低 ESR 和低 ESL。

為了提高工業(yè)和汽車系統(tǒng)的性能，需要將數(shù)據(jù)處理速度提高幾個(gè)等級(jí)，并且在微處理器、CPU、片上系統(tǒng)(SoC)、ASIC 和 FPGA 上集成更多耗電器件。這些復(fù)雜的器件類型需要多條穩(wěn)壓電軌：一般是內(nèi)核 0.8 V，DDR3 和 LPDDR4 分別 1.2 V 和 1.1 V，外設(shè)和輔助組件分別為 5 V、3.3 V 和 1.8 V。降壓(降壓型)轉(zhuǎn)換器被廣泛用于調(diào)節(jié)電池或直流總線提供的電源。

例如，汽車中的高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)產(chǎn)品組合大幅提升了陶瓷電容的使用率。隨著電信行業(yè)開始采用 5G 技術(shù)，也需要用到高性能電源，這也會(huì)顯著增加陶瓷電容的使用率。內(nèi)核的電源電流從幾安培增加到幾十安培，且嚴(yán)格管控電源紋波、負(fù)載瞬變過(guò)沖 / 欠沖和電磁干擾(EMI)，這些都需要額外的電容。

更高的電源工作(開關(guān))頻率可以降低瞬變對(duì)輸出電壓造成的影響，降低電容需求和整體解決方案的尺寸，但是更高的開關(guān)頻率往往會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗增加，降低整體效率。能否在先進(jìn)的微處理器、CPU、SoC、ASIC 和 FPGA 需要極高的電流時(shí)，避免這種取舍并滿足瞬變要求?

ADI 的單芯片 Silent Switcher® 2 降壓穩(wěn)壓器系列幫助實(shí)現(xiàn)緊湊的解決方案尺寸、高電流能力和高效率，更重要的是，還具備出色的 EMI 性能。LTC7151S 單芯片降壓穩(wěn)壓器使用 Silent Switcher 2 架構(gòu)來(lái)簡(jiǎn)化 EMI 濾波器設(shè)計(jì)。谷電流模式可以降低輸出電容需求。我們來(lái)看看適合 SoC 的 20 V 輸入至 1 V、15 A 輸出解決方案。

面向 SoC 的 20 V 輸入、15 A 解決方案

圖 1 所示為適合 SoC 和 CPU 功率應(yīng)用的 1 MHz、1.0 V、15 A 解決方案，其中輸入一般為 12 V 或 5 V，可能在 3.1 V 至 20 V 之間波動(dòng)。只需要輸入和輸出電容、電感、幾個(gè)小型電阻和電容即會(huì)組成完整的電源。此電路易于修改，以生成其他輸出電壓，例如 1.8 V、1.1 V 和 0.85 V，一直到 0.6 V。輸出電軌的負(fù)回流(至 V–引腳)使得其能夠?qū)ω?fù)載附近的輸出電壓實(shí)施遠(yuǎn)程反饋檢測(cè)，最大限度降低板路徑的壓降導(dǎo)致的反饋誤差。

圖 1 所示的解決方案使用 LTC7151S Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器采用高性能集成式 MOSFET，以及 28 引腳散熱增強(qiáng)型 4 mm × 5 mm × 0.74 mm LQFN 封裝。通過(guò)谷電流模式實(shí)施控制。內(nèi)置保護(hù)功能，以最大限度減少外部保護(hù)組件的數(shù)量。

頂部開關(guān)的最短導(dǎo)通時(shí)間僅為 20 ns(典型值)，可以在極高頻率下直接降壓至內(nèi)核電壓。熱管理功能支持可靠、持續(xù)地提供高達(dá) 15 A 的電流、20 V 的輸入電壓，無(wú)散熱或氣流，因此非常適合電信、工業(yè)、交通運(yùn)輸和汽車應(yīng)用領(lǐng)域的 SOC、FPGA、DSP、GPU 和微處理器使用。

LTC7151S 具備廣泛的輸入范圍，可以用作一級(jí)中間轉(zhuǎn)換器，支持多個(gè)下游負(fù)載點(diǎn)或 LDO 穩(wěn)壓器在 5 V 或 3.3 V 時(shí)達(dá)到最高 15 A。

圖. 適用于 SoC 和 CPU 的 1 MHz、15 A 降壓穩(wěn)壓器的原理圖和效率