降低陶瓷電(diàn)容器的電(diàn)源要求

2021-04-12

在过去的几年中，多(duō)层陶瓷電(diàn)容器（MLCC）的价格急剧上涨，追踪了汽車(chē)，工业，数据中心和電(diàn)信行业中使用(yòng)的電(diàn)源数量的增長(cháng)。陶瓷電(diàn)容器用(yòng)于输出的電(diàn)源，以降低输出纹波，并控制由于高摆率负载瞬变而引起的输出電(diàn)压过冲和过冲。输入端需要陶瓷電(diàn)容器去耦并过滤高频電(diàn)磁干扰，因為(wèi)它们的低ESR和低ESL。

為(wèi)了提高工业和汽車(chē)系统的性能(néng)，需要将数据处理(lǐ)速度提高几个数量级，同时越来越多(duō)的耗電(diàn)设备被挤入微处理(lǐ)器，CPU，片上系统（SoC），ASIC和FPGA中。 。这些复杂的设备类型中的每一种都需要许多(duō)稳压電(diàn)压轨：通常，内核0.8 V，DDR3和LPDDR4分(fēn)别為(wèi)1.2 V和1.1 V，外围和辅助组件分(fēn)别為(wèi)5 V，3.3 V和1.8V。降压（降压）转换器广泛用(yòng)于从電(diàn)池或直流总線(xiàn)产生稳压電(diàn)源。

例如，汽車(chē)中高级驾驶员辅助系统（ADAS）的普及极大地提高了陶瓷電(diàn)容器的使用(yòng)率。随着5G技术在需要高性能(néng)電(diàn)源的電(diàn)信领域的兴起，陶瓷電(diàn)容器的使用(yòng)也将大大增加。内核電(diàn)源電(diàn)流已从几安培增加到数十安培，并且可(kě)以非常严格地控制電(diàn)源纹波，负载瞬态过冲/欠冲和電(diàn)磁干扰（EMI），这些功能(néng)需要额外的電(diàn)容。

在许多(duō)情况下，传统的電(diàn)源供应方法无法跟上变化的步伐。总體(tǐ)解决方案规模太大，效率太低，電(diàn)路设计太复杂以及材料清单（BOM）成本太高。例如，為(wèi)了满足用(yòng)于快速负载瞬变的严格電(diàn)压调节规范，在输出端需要大量陶瓷電(diàn)容器来存储和提供由负载瞬变产生的大量電(diàn)流。输出陶瓷電(diàn)容器的总成本可(kě)以达到功率IC的几倍。

较高的電(diàn)源工作（开关）频率可(kě)以减小(xiǎo)瞬变对输出電(diàn)压的影响，并减小(xiǎo)電(diàn)容要求和整體(tǐ)解决方案尺寸，但是较高的开关频率通常会导致开关损耗增加，从而降低整體(tǐ)效率。是否可(kě)以避免这种折衷，并满足高级微处理(lǐ)器，CPU，SoC，ASIC和FPGA所要求的很(hěn)高電(diàn)流水平下的瞬态要求？

ADI公司的Power by Linear™单片式SilentSwitcher®2降压稳压器系列可(kě)实现紧凑的解决方案尺寸，高電(diàn)流能(néng)力，高效率，更重要的是，具有(yǒu)出色的EMI性能(néng)。LTC7151S单片式降压稳压器采用(yòng)Silent Switcher 2架构来简化EMI滤波器设计。谷值電(diàn)流模式降低了输出電(diàn)容要求。让我们看一下SoC的20V输入到1V，15A输出的解决方案。

SoC的20 V输入提供15 A解决方案图1显示了SoC和CPU電(diàn)源应用(yòng)的1 MHz，1.0 V，15 A解决方案，其中输入通常為(wèi)12 V或5 V，并且可(kě)以在3.1 V至20 V之间变化。输入和输出電(diàn)容器，一个電(diàn)感器以及几个小(xiǎo)電(diàn)阻器和電(diàn)容器是完成電(diàn)源所必需的。可(kě)以轻松修改此電(diàn)路以产生其他(tā)输出電(diàn)压，例如低至0.6 V的1.8 V，1.1 V和0.85V。输出轨的负返回電(diàn)压（至V–引脚）可(kě)实现对输出的遠(yuǎn)程反馈检测靠近负载的電(diàn)压，最大程度地减小(xiǎo)了電(diàn)路板走線(xiàn)两端的電(diàn)压降所引起的反馈误差。

图1中的解决方案使用(yòng)LTC7151S Silent Switcher 2稳压器，该稳压器采用(yòng)采用(yòng)28引脚，耐热增强型4 mm×5 mm×0.74 mm LQFN封装的高性能(néng)集成MOSFET。通过谷值電(diàn)流模式进行控制。内置保护功能(néng)可(kě)最大程度地减少外部保护组件的数量。

顶部开关的最短接通时间仅為(wèi)20 ns（典型值），可(kě)在非常高的频率下直接降压至内核電(diàn)压。热管理(lǐ)功能(néng)可(kě)在高达20V的输入電(diàn)压下提供高达15A的可(kě)靠且连续的输出電(diàn)流，而无散热片或气流，使其成為(wèi)電(diàn)信，工业，交通运输和汽車(chē)等SOC，FPGA，DSP，DSP，GPU和微处理(lǐ)器的热门选择应用(yòng)程序。

LTC7151S的宽输入范围使其可(kě)用(yòng)作第一级中间转换器，在5 V或3.3 V时支持高达15 A的電(diàn)流至多(duō)个下游负载点或LDO稳压器。

使用(yòng)最小(xiǎo)的输出電(diàn)容器满足严格的瞬态规范通常，按比例缩放输出電(diàn)容器可(kě)满足环路稳定性和负载瞬态响应的要求。这些规格对于為(wèi)处理(lǐ)器核心電(diàn)压供電(diàn)的電(diàn)源特别严格，在这些電(diàn)源中，必须很(hěn)好地控制负载瞬态过冲和下冲。例如，在负载阶跃期间，输出電(diàn)容器必须介入，立即提供電(diàn)流以支持负载，直到反馈环路产生足以接管的开关電(diàn)流為(wèi)止。通常，通过在输出侧安装大量的多(duō)层陶瓷電(diàn)容器来抑制过冲和下冲，从而在快速负载瞬变期间满足電(diàn)荷存储要求。

另外地或可(kě)替代地，将开关频率推高可(kě)以改善快速环路响应，但是以增加的开关损耗為(wèi)代价。

第三种选择是：具有(yǒu)谷值電(diàn)流模式控制的调节器可(kě)以动态改变调节器的开关TON和TOFF时间，以几乎瞬时满足负载瞬变的要求。这样可(kě)以大大减少输出電(diàn)容，从而满足快速响应时间。图2显示了LTC7151S静音开关稳压器的结果，该结果立即以8 A /μs的压摆率响应了从4 A到12 A的负载阶跃。LTC7151S的受控导通时间（COT）谷值電(diàn)流模式架构允许开关节点脉冲在4A至12A的负载阶跃过渡期间压缩。上升沿开始后约1μs，输出電(diàn)压开始恢复，过冲和下冲限制在46 mV峰峰值。图2a中所示的三个100μF陶瓷電(diàn)容器足以满足典型的瞬态规范，如图2b所示。图2c显示了负载步骤期间的典型开关波形。

LTC7151S的4mm×5mm×0.74mm封装中的3MHz高效降压型器件在紧凑的空间内集成了MOSFET，驱动器和热环路電(diàn)容器。通过使这些组件保持靠近状态，可(kě)以减少寄生效应，从而允许在死區(qū)时间非常短的情况下快速接通/断开开关。开关的反并联二极管的导通损耗大大降低。集成的热环路去耦電(diàn)容器和内置补偿電(diàn)路还消除了设计复杂性，最大程度地减小(xiǎo)了解决方案的总尺寸。

图3显示了以3 MHz的开关频率工作的5 V至1 V解决方案。Eaton的小(xiǎo)尺寸100 nH電(diàn)感器和三个100μF/ 1210陶瓷電(diàn)容器一起為(wèi)FPGA和微处理(lǐ)器应用(yòng)提供了非常紧凑的紧凑型解决方案。效率曲線(xiàn)如图3b所示。满载条件下，室温下的温度上升约為(wèi)15°C。

Silent Switcher 2技术可(kě)实现出色的EMI性能(néng)会议发布的EMI规范（例如CISPR 22 / CISPR 32传导和辐射的EMI峰值限制）在15 A的应用(yòng)下可(kě)能(néng)意味着许多(duō)迭代的電(diàn)路板旋转，涉及许多(duō)解决方案尺寸的权衡，总效率，可(kě)靠性和复杂性。传统方法通过放慢开关边缘和/或降低开关频率来控制EMI。两者都具有(yǒu)不良效果，例如效率降低，最小(xiǎo)打开和关闭时间增加以及解决方案尺寸增大。减轻EMI的麻烦（例如，复杂而笨重的EMI滤波器或金属屏蔽）会在所需的電(diàn)路板空间，组件和组装方面增加大量成本，同时使热管理(lǐ)和测试复杂化。

ADI公司专有(yǒu)的Silent Switcher 2架构采用(yòng)了许多(duō)EMI降低技术，包括集成的热环路電(diàn)容器，以最大程度地减小(xiǎo)噪声天線(xiàn)的尺寸。LTC7151S通过集成高性能(néng)MOSFET和驱动器来使EMI保持在低水平，这使IC设计人员能(néng)够生产一种具有(yǒu)最小(xiǎo)化开关节点振铃的内置器件。结果是，即使开关沿具有(yǒu)较高的压摆率，也可(kě)以高度控制存储在热环路中的相关能(néng)量，从而实现出色的EMI性能(néng)，同时将高工作频率下的交流开关损耗降至最低。

LTC7151S已在EMI测试室中进行了测试，并通过了CISPR 22 / CISPR 32传导和辐射的EMI峰值限制，并且前面带有(yǒu)一个简单的EMI滤波器。图4显示了1 MHz，1.2 V / 15 A電(diàn)路的原理(lǐ)图，图5显示了千兆赫横向電(diàn)磁（GTEM）单元的辐射EMI CISPR 22测试结果。