對MLCC的電源要求是否過高，有待考究？

目前隨著智能電子、自動化和傳感器在工業(yè)和汽車環(huán)境中的普及，提高了對電源數(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)致的輸出電壓過沖和欠沖。輸入端則要求陶瓷電容進(jìn)行解耦和過濾 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)處理速度提高幾個等級，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)來簡化 EMI 濾波器設(shè)計(jì)。谷電流模式可以降低輸出電容需求。我們來看看適合 SoC 的 20 V 輸入至 1 V、15 A 輸出解決方案。

01

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。只需要輸入和輸出電容、電感、幾個小型電阻和電容即會組成完整的電源。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，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，可以用作一級中間轉(zhuǎn)換器，支持多個下游負(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 1. 適用于 SoC 和 CPU 的 1 MHz、15 A 降壓穩(wěn)壓器的原理圖和效率

02

使用最小的輸出電容，滿足嚴(yán)格的瞬變規(guī)格

一般來說，會擴(kuò)大輸出電容，以滿足回路穩(wěn)定性和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)要求。對于為處理器提供內(nèi)核電壓的電源，這些要求尤其嚴(yán)格，必須出色地控制負(fù)載瞬變過沖和欠沖。例如，在負(fù)載階躍期間，輸出電容必須介入，立即提供電流來支持負(fù)載，直到反饋回路將開關(guān)電流增高到足以接管。一般來說，可以通過在輸出端安裝大量多層陶瓷電容來抑制過沖和欠沖，在快速負(fù)載瞬變期間滿足電荷存儲要求。

另外，提高開關(guān)頻率也可以改善快速回路響應(yīng)，但這會增大開關(guān)損耗。

還有第三種選項(xiàng)：支持谷電流模式控制的穩(wěn)壓器可以動態(tài)改變穩(wěn)壓器的開關(guān) TON 和 TOFF 時(shí)間，以滿足負(fù)載瞬變需求。如此，可以大幅降低輸出電容，以滿足快速瞬變時(shí)間。圖 2 所示為 LTC7151S Silent Switcher 穩(wěn)壓器立時(shí)響應(yīng) 4 A 至 12 A 負(fù)載階躍和 8 A/μs 壓擺率之后的結(jié)果。

LTC7151S 采用受控導(dǎo)通時(shí)間(COT)谷電流模式架構(gòu)，支持開關(guān)節(jié)點(diǎn)在 4 A 至 12 A 負(fù)載階躍瞬變期間壓縮脈沖。在上升沿啟動約 1 μs 之后，輸出電壓開始恢復(fù)，過沖和欠沖則限制在 46 mV 峰峰值。圖 2a 中所示的 3 個 100 μF 陶瓷電容足以滿足典型的瞬變規(guī)格要求，如圖 2b 所示。圖 2c 顯示負(fù)載階躍期間的典型開關(guān)波形。

圖 2.(a) 這種 5 V 輸入至 1 V 輸出的應(yīng)用在 2 MHz 下運(yùn)行，需要最小的輸出電容達(dá)到快速地響應(yīng)(b)負(fù)載階躍，以及負(fù)載階躍期間的(c)開關(guān)波形。

03

3 MHz 高效降壓型穩(wěn)壓器可用于狹小空間

LTC7151S 采用 4 mm × 5 mm × 0.74 mm 封裝，其中集成了 MOSFET、驅(qū)動器和熱回路電容。讓這些組件彼此靠近可以降低寄生效應(yīng)，以便快速開關(guān)這些開關(guān)，且保持很短的死區(qū)時(shí)間。開關(guān)的反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通損耗也大大降低。集成式熱回路解耦電容和內(nèi)置補(bǔ)償電路也可以幫助降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，最大限度減小解決方案的總體尺寸。

如前所述，頂部開關(guān)的 20 ns(典型)最短間隔允許在高頻率下實(shí)現(xiàn)極低的占空比轉(zhuǎn)換，使得設(shè)計(jì)人員能夠利用極高頻率操作(例如 3 MHz)來降低電感、輸入電容和輸出電容的大小和值。極為緊湊的解決方案適用于空間有限的應(yīng)用，例如汽車和醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域的便攜式設(shè)備或儀器儀表。使用 LTC7151S 時(shí)，可以不使用大體積散熱組件(例如風(fēng)扇和散熱器)，這是因?yàn)?LTC7151S 支持高性能功率轉(zhuǎn)換，即使在極高頻率下也是如此。

圖 3 顯示在 3 MHz 開關(guān)頻率下運(yùn)行的 5 V 至 1 V 解決方案。伊頓提供的小尺寸 100 nH 電感和 3 個 100 μF/1210 陶瓷電容一起，提供適用于 FPGA 和微處理器應(yīng)用的纖薄緊湊型解決方案。效率曲線如圖 3b 所示。在室溫下，全負(fù)載范圍內(nèi)溫度上升約 15°C。

圖 3.5 V 輸入至 1 V/15 A，fSW = 3 MHz 下的穩(wěn)壓器原理圖和效率。

04

Silent Switcher 2 幫助實(shí)現(xiàn)出色的 EMI 性能

使用 15 A 應(yīng)用滿足已經(jīng)發(fā)布的 EMI 規(guī)范(例如 CISPR 22/CISPR 32 傳導(dǎo)和輻射 EMI 峰值限值)，可能意味著多個迭代板旋轉(zhuǎn)，涉及在解決方案尺寸、總效率、可靠性和復(fù)雜性之間取舍。傳統(tǒng)方法通過減慢開關(guān)邊沿和 / 或降低開關(guān)頻率來控制 EMI。這兩種方法都會產(chǎn)生不良的影響，例如效率下降，最短接通和關(guān)斷時(shí)間增加，以及增大解決方案尺寸。復(fù)雜、大尺寸的 EMI 濾波器或金屬屏蔽等強(qiáng)力 EMI 消除方案在所需的電路板空間、組件和裝配方面增加了大量成本，并使熱管理和測試復(fù)雜化。

使用 15 A 應(yīng)用滿足已經(jīng)發(fā)布的 EMI 規(guī)范(例如 CISPR 22/CISPR 32 傳導(dǎo)和輻射 EMI 峰值限值)，可能意味著多個迭代板旋轉(zhuǎn)，涉及在解決方案尺寸、總效率、可靠性和復(fù)雜性之間取舍。傳統(tǒng)方法通過減慢開關(guān)邊沿和 / 或降低開關(guān)頻率來控制 EMI。這兩種方法都會產(chǎn)生不良的影響，例如效率下降，最短接通和關(guān)斷時(shí)間增加，以及增大解決方案尺寸。復(fù)雜、大尺寸的 EMI 濾波器或金屬屏蔽等強(qiáng)力 EMI 消除方案在所需的電路板空間、組件和裝配方面增加了大量成本，并使熱管理和測試復(fù)雜化。

LTC7151S 前端采用簡單的 EMI 濾波器，在 EMI 測試室中接受測試，通過了 CISPR 22/ CISPR 32 導(dǎo)通和輻射 EMI 峰值限值認(rèn)證。圖 4 顯示 1 MHz、1.2 V/15 A 電路的原理圖，圖 5 顯示吉赫茲橫電磁波(GTEM)電池的輻射 EMI CISPR 22 的測試結(jié)果。

圖 4. 開關(guān)頻率為 1 MHz 的 1.2 V 穩(wěn)壓器的原理圖

圖 5.GTEM 中的輻射 EMI 通過 CISPR 22 Class B 限值測試