bandao.com半岛(bandao·中国)电子科技-兼顾效率与瞬态响应：用于先进SoC的低压大电流数字电源管理方案

【导读】于现今高科技飞速成长的时代，进步前辈SoC、FPGA和微处置惩罚器于各种电子装备中饰演着焦点脚色。然而，跟着这些芯片集成度的不停晋升，其功耗问题日趋凸显，特别是对于低电压、年夜电流电源解决方案的需求愈发火急。例如，DDR内存、处置惩罚器内核和I/O装备等要害组件，均需要不变且精准的低压电源供电。与此同时，为了确保体系的靠得住运行，对于电压、电流及温度等要害参数的及时监测也变患上至关主要。本文将深切切磋一种立异的双相降压型稳压器设计，该设计集成为了进步前辈的数字电源体系治理功效，旨于满意现代电子装备对于电源解决方案的严苛要求。

择要

于现今高科技飞速成长的时代，进步前辈SoC、FPGA和微处置惩罚器于各种电子装备中饰演着焦点脚色。然而，跟着这些芯片集成度的不停晋升，其功耗问题日趋凸显，特别是对于低电压、年夜电流电源解决方案的需求愈发火急。例如，DDR内存、处置惩罚器内核和I/O装备等要害组件，均需要不变且精准的低压电源供电。与此同时，为了确保体系的靠得住运行，对于电压、电流及温度等要害参数的及时监测也变患上至关主要。本文将深切切磋一种立异的双相降压型稳压器设计，该设计集成为了进步前辈的数字电源体系治理功效，旨于满意现代电子装备对于电源解决方案的严苛要求。

弁言

如今，工业、汽车、办事器、电信及数据通讯运用都需要进步前辈的片上体系(SoC)、FPGA及微处置惩罚器解决方案。这些解决方案需要多个低压电源，包括1.1 V（用在DDR）、0.8 V（用在内核）及3.3 V/1.8 V（用在I/O装备）。跟着半导体集成度不停提高，微处置惩罚器的耗电量愈来愈年夜，是以需要更年夜的供电电流。

同时，市场对于采用FPGA或者微处置惩罚器的遥测技能体现出强劲需求。这种技能可以或许监测电压、电流、温度及其他装备参数。为了简化设计方案，集成I2C/PMBus®的模仿电源IC可以监测这些要害参数并节制遥测。

是以，电源解决方案必需与I2C/PMBus集成，以撑持遥测回读及稳压器编程，同时实现更年夜电流能力、更高效率及精彩的抗电磁滋扰(EMI)机能。拥有高机能且满意这些要求的多相器件正变患上愈来愈受青睐。本文将先容一款双相降压型稳压器的一些设计思绪。这款稳压器的两个通道可以提供共计高达40 A的持续电流，每一个通道撑持高达30 A的负载。它还有集成为了数字电源体系治理功效，撑持经由过程切合PMBus/I2C尺度的串行接口举行编程及遥测。设计时务必谨慎考量并告竣尺寸、效率、环路不变性及瞬态相应等方面的方针。

为何效率很主要

假定一个运用需要从12 V电源得到1 V、30 A的低电压、年夜电流输出，且效率为80%，则总损耗将到达7.5 W。这些损耗会酿成热量，致使IC及电感的温度上升。数据中央的情况温度凡是高在室温，分外的损耗会使IC的温度进一步升高，从而更靠近IC的热关断限值（凡是为150°C）。对于在负载点(POL)运用，这种问题尤为要害，由于DC-DC转换器往往很是接近多发热量的微处置惩罚器。

接下来，咱们将申明几种提凹凸电压、年夜电流器件效率的要领。

SW节点处的PCB走线

于以前版本的双相器件演示板设计中，第1相及第2相中的电感相对于而置，如图1所示。假如电感以此特定标的目的放置，EMI机能会更好。这类方式的错误谬误是开关(SW)节点会有相对于较长的走线，致使PCB走线损耗更年夜，特别是于重负载前提下，由于导通损耗与电流值的平方成正比(P = I2R)。

图1.初版电路板结构：通道1及通道2电感相对于而置。EMI更好，但损耗更年夜。

图2所示为20 A负载前提下的热图象。开枢纽关头点温度很是高，其温升险些与IC不异。适量的设计可以改善PCB走线所引起的损耗。

图2.室温下12 VIN、0.6 VOUT、20 A负载的热图象

于图3所示的测试设置中，咱们对于PCB举行了切割处置惩罚，并挪动通道1电感，使之更接近IC，从而缩短SW节点走线。

图3.挪动电感以更接近IC

按照PCB走线的铜厚度及长度，SW节点的直流电阻为：

此中：

总损耗为：

此中：

于20 A负载前提下，SW节点孕育发生的预期损耗为：

缩短SW走线L = 0.3 cm后，改良的损耗为：

计较患上出的预期损耗改善幅度为：

图4显示了基在测试成果的效率改良环境。于20 A及30 A负载前提下，损耗改善幅度别离为0.22 W及0.53 W。

图4.12 VIN、0.6 VOUT、1 MHz Ch1 FCM VBIAS = 5 V下的效率改良环境

当负载提高时，效率差异会更年夜，象征着此PCB走线的导通损耗(P = I2R)将占主导职位地方。于满负载前提下，效率可晋升1.5%。电感没法云云接近IC，是以于第二版的电路板结构中，电感扭转90°以面向IC，从而缩短SW走线长度，如图5所示。

图5.第二版电路板结构：通道1及通道2电感面向IC，效率更高，EMI相对于较差。

增长CIN以按捺VIN振铃。

于咱们的研究中，输入电容对于低电压及年夜电流运用的效率与不变性也有很年夜影响。工程师经常轻忽输入电容设计的主要性，凭以往经验来安插输入电容。有时辰，受PCB方案总尺寸限定，工程师安插的输入电容可能不足，致使电路不不变及更多损耗。

图6.输入电容框图

图6（从左到右）显示了用在热插拔及按捺浪涌电流的电解电容，年夜陶瓷电容（凡是为1210或者1206尺寸）用在削减输入电流纹波，而小陶瓷电容（0402或者0201尺寸）用在削减高频纹波。除了此以外，Silent Switcher® 2技能会将一对于电容嵌入封装中，以进一步削减SW高频噪声及过冲。图6右边图片显示了两个1206陶瓷电容（黄色）、四个0402封装外陶瓷电容（蓝色），外加四个采用去封装技能的0402封装内电容（红色）。封装中裸片上方刻蚀一个孔，以袒露衬底上的封装内电容。

利用探头对于这些输入电容及开枢纽关头点举行探测，不雅察差别输入电容组合的举动。

表1.CIN组合

然而，其价钱是IC的最年夜事情温度规模从150°C (X8L)降低到125°C (X7R)。有时辰，IC的最年夜温度是一个主要思量因素，由于很多运用（如数据中央）的情况温度跨越70°C。工程师需要留意这些环境，由于假如选择X7R封装内电容，最年夜温度可能会跨越事情规模。

更年夜的CIN不仅会改善开关的不变性，还有有助在晋升效率。图8显示，假如添加充足的输入电容，效率将提高约1.4%，损耗降低0.3 W。输入真个振铃及压降会致使开关损耗增长。8个1206尺寸的电容与2个1210尺寸的电容具备相似的效率，是以于这类环境下，抱负的CIN选择将是2个22 µF的1210尺寸电容。

对于在输入电容的选择，因为陶瓷电容具备较年夜的直流额定规模，是以工程师还有应留意直流降额。例如，比力12 V下1206及1210电容的直流降额，1206尺寸电容的降额更严峻。表2列出了两个Murata电容作为示例。是以，建议利用1210尺寸电容作为低电压、年夜电流电源的输入。

图7.输入纹波及SW波形：小CIN组合（上）；年夜CIN组合（下）。

假如总输入电容较小（图7上方波形），于重负载前提下，SW节点波形会呈现较年夜的振铃。这是由于当顶部开关导通时，年夜部门电流将是从输入电容中拉出。总电荷 = 电容 x 电压(Q = CV)。是以，假如电容较小，CIN将会有较年夜的压降。CIN与输入走线及IC封装的寄生电感将形成LC谐振电路，致使开枢纽关头点处呈现振铃。年夜电压降也会致使SW掉真及不不变，于小脉冲后面追随一个年夜脉冲。

假如增长输入电容以按捺振铃，可以改善开关的不不变性。相较在小CIN组合，年夜CIN组合的总电容值翻倍。CIN越靠近开关的顶部，改善幅度就越年夜。是以，最佳增长封装内电容的值。于咱们的案例中，两个0.1 µF（040二、X8L）电容增长到0.22 µF（040二、X7R）（见表1）后，开关变患上不变（见图7的下方波形）。

图8.差别CIN下效率及损耗与负载电流的瓜葛

表2.Murata电容比力

SIMPLIS仿真是一个有效的东西，可帮忙工程师更好地确定CIN的最优值。图9显示了一个降压型稳压器，标出了沿电源走线的寄生电感预计值。输入电容已经按照12 V输入电压下陶瓷电容的直流降额举行了调解。假如输入电容翻倍，从2x70 nF增长到2x140 nF，振铃会获得改善（见图10）。

图9.SIMPLIS仿真道理图

结语

本文重点会商低电压、年夜电流电源设计，先容了两种要领来提高重负载前提下的效率。按照PCB上开枢纽关头点的热门（其温升险些与IC不异），咱们建议转变电感的标的目的，缩短开枢纽关头点的走线长度，从而降低损耗。输入电容的设计很是主要，但也轻易被轻忽。输入电容不足将致使电源不不变且效率低下。于低电压、年夜电流电源的设计中，运用工程师需要尤其留意输入电容的均衡。

图10.仿真成果（上：CIN = 2× 70 nF；下：CIN = 2× 140 nF)

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