降低陶瓷電容器的電源要求

2021-04-12

在過(guò)去的幾年中，多層陶瓷電容器（MLCC）的價(jià)格急劇上漲，追蹤了汽車(chē)，工業(yè)，數據中心和電信行業(yè)中使用的電源數量的增長(cháng)。陶瓷電容器用于輸出的電源，以降低輸出紋波，并控制由于高擺率負載瞬變而引起的輸出電壓過(guò)沖和過(guò)沖。輸入端需要陶瓷電容器去耦并過(guò)濾高頻電磁干擾，因為它們的低ESR和低ESL。

為了提高工業(yè)和汽車(chē)系統的性能，需要將數據處理速度提高幾個(gè)數量級，同時(shí)越來(lái)越多的耗電設備被擠入微處理器，CPU，片上系統（SoC），ASIC和FPGA中。 。這些復雜的設備類(lèi)型中的每一種都需要許多穩壓電壓軌：通常，內核0.8 V，DDR3和LPDDR4分別為1.2 V和1.1 V，外圍和輔助組件分別為5 V，3.3 V和1.8V。降壓（降壓）轉換器廣泛用于從電池或直流總線(xiàn)產(chǎn)生穩壓電源。

例如，汽車(chē)中高級駕駛員輔助系統（ADAS）的普及極大地提高了陶瓷電容器的使用率。隨著(zhù)5G技術(shù)在需要高性能電源的電信領(lǐng)域的興起，陶瓷電容器的使用也將大大增加。內核電源電流已從幾安培增加到數十安培，并且可以非常嚴格地控制電源紋波，負載瞬態(tài)過(guò)沖/欠沖和電磁干擾（EMI），這些功能需要額外的電容。

在許多情況下，傳統的電源供應方法無(wú)法跟上變化的步伐?？傮w解決方案規模太大，效率太低，電路設計太復雜以及材料清單（BOM）成本太高。例如，為了滿(mǎn)足用于快速負載瞬變的嚴格電壓調節規范，在輸出端需要大量陶瓷電容器來(lái)存儲和提供由負載瞬變產(chǎn)生的大量電流。輸出陶瓷電容器的總成本可以達到功率IC的幾倍。

較高的電源工作（開(kāi)關(guān)）頻率可以減小瞬變對輸出電壓的影響，并減小電容要求和整體解決方案尺寸，但是較高的開(kāi)關(guān)頻率通常會(huì )導致開(kāi)關(guān)損耗增加，從而降低整體效率。是否可以避免這種折衷，并滿(mǎn)足高級微處理器，CPU，SoC，ASIC和FPGA所要求的很高電流水平下的瞬態(tài)要求？

ADI公司的Power by Linear?單片式SilentSwitcher?2降壓穩壓器系列可實(shí)現緊湊的解決方案尺寸，高電流能力，高效率，更重要的是，具有出色的EMI性能。LTC7151S單片式降壓穩壓器采用Silent Switcher 2架構來(lái)簡(jiǎn)化EMI濾波器設計。谷值電流模式降低了輸出電容要求。讓我們看一下SoC的20V輸入到1V，15A輸出的解決方案。

SoC的20 V輸入提供15 A解決方案圖1顯示了SoC和CPU電源應用的1 MHz，1.0 V，15 A解決方案，其中輸入通常為12 V或5 V，并且可以在3.1 V至20 V之間變化。輸入和輸出電容器，一個(gè)電感器以及幾個(gè)小電阻器和電容器是完成電源所必需的?？梢暂p松修改此電路以產(chǎn)生其他輸出電壓，例如低至0.6 V的1.8 V，1.1 V和0.85V。輸出軌的負返回電壓（至V–引腳）可實(shí)現對輸出的遠程反饋檢測靠近負載的電壓，最大程度地減小了電路板走線(xiàn)兩端的電壓降所引起的反饋誤差。

圖1中的解決方案使用LTC7151S Silent Switcher 2穩壓器，該穩壓器采用采用28引腳，耐熱增強型4 mm×5 mm×0.74 mm LQFN封裝的高性能集成MOSFET。通過(guò)谷值電流模式進(jìn)行控制。內置保護功能可最大程度地減少外部保護組件的數量。

頂部開(kāi)關(guān)的最短接通時(shí)間僅為20 ns（典型值），可在非常高的頻率下直接降壓至內核電壓。熱管理功能可在高達20V的輸入電壓下提供高達15A的可靠且連續的輸出電流，而無(wú)散熱片或氣流，使其成為電信，工業(yè)，交通運輸和汽車(chē)等SOC，FPGA，DSP，DSP，GPU和微處理器的熱門(mén)選擇應用程序。

LTC7151S的寬輸入范圍使其可用作第一級中間轉換器，在5 V或3.3 V時(shí)支持高達15 A的電流至多個(gè)下游負載點(diǎn)或LDO穩壓器。

使用最小的輸出電容器滿(mǎn)足嚴格的瞬態(tài)規范通常，按比例縮放輸出電容器可滿(mǎn)足環(huán)路穩定性和負載瞬態(tài)響應的要求。這些規格對于為處理器核心電壓供電的電源特別嚴格，在這些電源中，必須很好地控制負載瞬態(tài)過(guò)沖和下沖。例如，在負載階躍期間，輸出電容器必須介入，立即提供電流以支持負載，直到反饋環(huán)路產(chǎn)生足以接管的開(kāi)關(guān)電流為止。通常，通過(guò)在輸出側安裝大量的多層陶瓷電容器來(lái)抑制過(guò)沖和下沖，從而在快速負載瞬變期間滿(mǎn)足電荷存儲要求。

另外地或可替代地，將開(kāi)關(guān)頻率推高可以改善快速環(huán)路響應，但是以增加的開(kāi)關(guān)損耗為代價(jià)。

第三種選擇是：具有谷值電流模式控制的調節器可以動(dòng)態(tài)改變調節器的開(kāi)關(guān)TON和TOFF時(shí)間，以幾乎瞬時(shí)滿(mǎn)足負載瞬變的要求。這樣可以大大減少輸出電容，從而滿(mǎn)足快速響應時(shí)間。圖2顯示了LTC7151S靜音開(kāi)關(guān)穩壓器的結果，該結果立即以8 A /μs的壓擺率響應了從4 A到12 A的負載階躍。LTC7151S的受控導通時(shí)間（COT）谷值電流模式架構允許開(kāi)關(guān)節點(diǎn)脈沖在4A至12A的負載階躍過(guò)渡期間壓縮。上升沿開(kāi)始后約1μs，輸出電壓開(kāi)始恢復，過(guò)沖和下沖限制在46 mV峰峰值。圖2a中所示的三個(gè)100μF陶瓷電容器足以滿(mǎn)足典型的瞬態(tài)規范，如圖2b所示。圖2c顯示了負載步驟期間的典型開(kāi)關(guān)波形。

LTC7151S的4mm×5mm×0.74mm封裝中的3MHz高效降壓型器件在緊湊的空間內集成了MOSFET，驅動(dòng)器和熱環(huán)路電容器。通過(guò)使這些組件保持靠近狀態(tài)，可以減少寄生效應，從而允許在死區時(shí)間非常短的情況下快速接通/斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)的反并聯(lián)二極管的導通損耗大大降低。集成的熱環(huán)路去耦電容器和內置補償電路還消除了設計復雜性，最大程度地減小了解決方案的總尺寸。

圖3顯示了以3 MHz的開(kāi)關(guān)頻率工作的5 V至1 V解決方案。Eaton的小尺寸100 nH電感器和三個(gè)100μF/ 1210陶瓷電容器一起為FPGA和微處理器應用提供了非常緊湊的緊湊型解決方案。效率曲線(xiàn)如圖3b所示。滿(mǎn)載條件下，室溫下的溫度上升約為15°C。

Silent Switcher 2技術(shù)可實(shí)現出色的EMI性能會(huì )議發(fā)布的EMI規范（例如CISPR 22 / CISPR 32傳導和輻射的EMI峰值限制）在15 A的應用下可能意味著(zhù)許多迭代的電路板旋轉，涉及許多解決方案尺寸的權衡，總效率，可靠性和復雜性。傳統方法通過(guò)放慢開(kāi)關(guān)邊緣和/或降低開(kāi)關(guān)頻率來(lái)控制EMI。兩者都具有不良效果，例如效率降低，最小打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)間增加以及解決方案尺寸增大。減輕EMI的麻煩（例如，復雜而笨重的EMI濾波器或金屬屏蔽）會(huì )在所需的電路板空間，組件和組裝方面增加大量成本，同時(shí)使熱管理和測試復雜化。

ADI公司專(zhuān)有的Silent Switcher 2架構采用了許多EMI降低技術(shù)，包括集成的熱環(huán)路電容器，以最大程度地減小噪聲天線(xiàn)的尺寸。LTC7151S通過(guò)集成高性能MOSFET和驅動(dòng)器來(lái)使EMI保持在低水平，這使IC設計人員能夠生產(chǎn)一種具有最小化開(kāi)關(guān)節點(diǎn)振鈴的內置器件。結果是，即使開(kāi)關(guān)沿具有較高的壓擺率，也可以高度控制存儲在熱環(huán)路中的相關(guān)能量，從而實(shí)現出色的EMI性能，同時(shí)將高工作頻率下的交流開(kāi)關(guān)損耗降至最低。

LTC7151S已在EMI測試室中進(jìn)行了測試，并通過(guò)了CISPR 22 / CISPR 32傳導和輻射的EMI峰值限制，并且前面帶有一個(gè)簡(jiǎn)單的EMI濾波器。圖4顯示了1 MHz，1.2 V / 15 A電路的原理圖，圖5顯示了千兆赫橫向電磁（GTEM）單元的輻射EMI CISPR 22測試結果。