汽車、電信、資料通訊和工業系統不斷採用越來越多數量的先進系統單晶片(SoC)、FPGA和微處理器解決方案。隨著高功率需求元件的增加以及資料處理速度的提高,後續每一代SoC和FPGA都必須增加功率預算,以便支援電信、音訊或視訊資料的即時流。只有強健、易用的低壓電源才能滿足這些要求,而這些電源均需要擁有高效率、高功率密度和低電磁輻射。

SoC和FPGA需要許多低壓電源,包括1.1V (用於DDR)、0.8V (用於核心)和3.3V/1.8V (用於I/O裝置)。由寬廣範圍的汽車電池或工業匯流排電壓提供1V以下電壓通常需要兩級轉換:中間穩壓級轉換至12V或5V,再由另一級轉換至低電壓。每級DC-DC轉換必須具有高效率並通過EMI標準,以使整個電源系統能夠滿足嚴苛的汽車、電信、資料通訊和工業規範要求。

使用傳統降壓穩壓器可能難以滿足尺寸、效率和EMI設計目標。1V以下的降壓穩壓器傳統上依賴於體積大且EMI雜訊高的PWM控制器和MOSFET。汽車和工業系統要求必須採用更精小、更高電流能力、更高效率的元件,更重要的是,具有出色的EMI性能。

實現更佳EMI性能的新架構

使用傳統的DC-DC控制器很難滿足已發表的EMI標準,因此,如果可能的話,通常會在設計初期解決EMI問題。EMI問題若出現在系統設計和開發的後期,則會需要耗費大量的時間和成本排除故障和重新設計。造成專案延遲、市場損失和商業聲譽受損的風險過高,實則不容小覷。為在整個電源設計過程中確保通過EMI認證,通常會優先考慮EMI抑制,有時甚至會過度設計,其代價是犧牲其他所需的性能,包括解決方案的尺寸、整體效率、可靠性和簡潔性。

傳統方法是透過減緩切換開關邊緣,和/或降低切換開關頻率來控制EMI。例如,可以添加閘極電阻或緩衝器以減慢導通或關斷的切換開關邊緣,並降低切換開關頻率來降低EMI。然而,這些策略隨之帶來重大的折衷,包括增加最小導通時間、限制電壓轉換比和增加解決方案尺寸。體積龐大的EMI濾波器或金屬遮罩等替代緩解技術使電路板尺寸、元件數量和裝配複雜性增加,也隨之帶來了大量成本,並使熱管理和測試更加複雜。這些策略都不能滿足嚴苛的小尺寸、高效率和低EMI的SoC功率預算要求。

以ADI Power by Linear的Silent Switcher 2系列降壓穩壓器單晶片為例,其設計旨在滿足先進SoC的功率要求,支援高可靠性和強固性,同時滿足EMI、尺寸和熱限制要求。圖1顯示了一款12V至1.2V/10A解決方案及其EMI結果,只需採用鐵氧體磁珠和輸入電容作為EMI輸入濾波器,就可以滿足嚴格汽車產業廣泛採用的CISPR 25 Class 5輻射EMI規範要求,並提供足夠的餘裕。另一個常見的EMI規範是消費電子製造商常用的CISPR 32;該方案不使用EMI輸入濾波器也能滿足CISPR 32 B類輻射EMI規範。

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圖1:低EMI 1.2V/10 A應用案例。

另一款20A高效降壓穩壓器,可大幅降低電磁輻射從而簡化EMI濾波器的設計和佈局,適用於雜訊敏感環境。ADI 的Silent Switcher 2架構提供優良EMI性能,同時能降低單晶片穩壓器中的交流開關損耗。IC中包含熱迴路電容,與整合MOSFET搭配可降低高雜訊天線的尺寸並降低EMI。

減少切換開關節點振鈴,可從而降低高頻雜訊以及熱迴路中儲存的相關能量。此外,熱迴路分為對稱分佈的兩部分,可以使EMI相互抵銷。因而在雜訊敏感的汽車環境中能夠實現低雜訊供電,其中功能強大的SoC用於先進駕駛輔助系統(ADAS)或自動駕駛系統。這也滿足了電信、運輸和工業系統的要求,這些系統需要高效率、低雜訊的電源來為新一代SoC、CPU和微處理器供電。

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圖2:具備EMI濾波器的降壓穩壓器。

在前端放置一個簡單的EMI濾波器即可通過CISPR 25輻射EMI峰值限制,如圖2中原理圖所示,其中放置了一個帶鐵氧體磁珠的簡單濾波器。圖3顯示輻射EMI CISPR 25的測試結果,該線路可通過CISPR 25 Class 5峰值限制。

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圖3:新架構降壓穩壓器的EMI輻射性能。

並聯多個轉換器以增加輸出電流

自動駕駛和自動停車等高級功能需要更強大的SoC來實現即時視頻流或人工智慧。同樣,電信和大數據裝置中的運算系統和伺服器系統也包含高性能SoC解決方案,這些解決方案需要的功率比以往更高。對於要求超過20A電流能力的處理器系統,可將多個降壓穩壓器並聯且錯相運作,實現多通道、多相位工作,以減少漣波。

CLKOUT 訊號可以連接至後一個穩壓器的MODE/SYNC接腳,使整個系統的頻率和相位保持一致。在PHMODE針腳上實現多相位工作。將PHMODE針腳連接至INTVCC、SGND或者使之保持懸空會在MODE/SYNC針腳上施加的時脈與CLKOUT之間產生相位差;180°、120°或90°的相位差分別對應於2相、3相或4相工作。透過程式設計將每個穩壓器的PHMODE針腳設為不同的電壓位準,總計12個通道可以互相錯相運作。

圖4顯示兩個並聯的轉換器可在1.2V時提供40A輸出電流。透過將U1的CLKOUT連接至U2的MODE/SYNC,使主單元時賣與從屬單元同步。主PHMODE針腳接地,從機PHMODE針腳懸空。這使兩個通道之間產生180°的相位差,從而減小了輸入電流漣波。為確保在穩定狀態和啟動期間更好的均流,則將ITH、FB和TRACK/SS連接在一起。由於需要使用本地RT電阻,因此RT不應連接在一起。建議使用開爾文連接以獲得精確的回饋和抗噪性能。在接地針腳附近將盡可能多的電源通孔放置到底層,以改善熱性能。輸入熱迴路的陶瓷電容應靠近VIN針腳放置。

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圖4:並聯兩個穩壓器將輸出電流能力提至40A。

在啟動和穩態期間,電感電流保持均衡,如圖6所示。當輸入為3.3V時,32A輸出的效率可高達89%。

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圖5:圖4電路中40A輸出的效率。

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圖6:並聯解決方案的電感電流波形。

高切換開關頻率

新架構穩壓器不僅能實現卓越EMI性能,還可產生快速、乾淨的切換開關邊緣,以降低切換開關損耗。最低切換開關損耗以及僅20ns的最小導通時間有助於在高切換開關頻率下工作,實現高效率的小尺寸解決方案。例如,12V至1.2V的解決方案可在2MHz開關頻率下實現超過88%的效率。此外,借助其高速峰值電流模式架構,可在超載或短路條件下使用飽和電感安全工作。因此可以根據輸出負載的要求來選擇電感。

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圖7:50W (5V/10 A)解決方案。

精小型電源解決方案通常與熱性能要求相衝突,借助高效率的增強型熱性能封裝來解決這種典型的權衡難題。圖7展示了1 MHz切換開關頻率下 5V/10A 的解決方案。對於12V輸入而言,可提供50 W功率且峰值效率達97%以上時,機殼溫度的溫升低於47℃。圖8顯示3MHz的解決方案。透過使用小電感和低容值的輸出電容,可以盡可能縮小高頻解決方案尺寸。

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圖8:3.3V、3 MHz應用實例。

結論

工業和汽車領域應用要求提供更高智慧和自動化水準以及更多檢測功能,使得電子系統數量激增,對電源性能的要求亦越來越高。低EMI已從設計後期的考慮事項提升至最高優先順序,同時,解決方案的尺寸、高效率、散熱性、強固性和易用性仍扮演相當重要的角色。新一代的單晶片穩壓器能以上述各方面的出色表現,滿足汽車、電信、資料中心和工業客戶的要求。

以ADI的高性能單晶片穩壓器系列為例,其專有技術能夠以精小尺寸滿足嚴苛EMI標準。利用整合式MOSFET和整合熱管理功能,輸入範圍達20V時,將能夠實現數安培到20A以上穩定的電流輸送。此外還內建致能控制、PG指示和軟啟動功能,對於SoC和FPGA電源所需的系統上電時序至關重要,只需少量元件就能完成電源設計。