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適用於高功率密度系統的大電流轉換器
 

【作者: Steve Knoth, Steve Zhou】   2017年12月29日 星期五

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大電流、低壓數位 IC 市場規模不斷擴大,這類數位IC 包括微控制器和微處理器(μC 和 μP)、可編程邏輯元件(PLD)、數位訊號處理器(DSP)、專用積體電路(ASIC)、和圖形處理器單元(GPU)。當我們檢視此市場中的一個較大市場區隔— 現場可編程閘陣列(FPGA)IC 的預期,2014 年時,該市場的規模為 39.2 億美元,預計到 2022 年將達到 72.3 億美元,從 2016 年到 2022 年,年複合成長率為 7.41% [資料來源:marketsandmarkets.com]。高功率密度數位 IC 幾乎已進入所有嵌入式系統。這類系統包括、但不限於:工業、通訊、電訊、伺服器、醫療、遊戲、消費類音訊 / 視訊和汽車系統。在這些市場中,FPGA 正實現著先進應用,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)和防撞系統等消除人為差錯的汽車應用。


此外,政府要求的安全功能,例如防鎖?車系統、穩定性控制和電氣控制的獨立懸架系統都必須使用FPGA。在消費性電子產品領域,對物聯網(IoT)和機器對機器(M2M)通訊的需求,以及資料與伺服器中心的成長,也是驅動 FPGA 市場成長的相關因素,而需要儲存大量資料和進行雲端運算,則是資料和伺服器中心成長的驅動因素。


這些基於高功率密度數位IC的系統對電源具備獨特的要求。就目前這一代FPGA和ASIC處理器而言,大電流、低電壓和快速暫態響應的結合,對為這些元件供電的電源提出了越來越嚴格的要求。這些數位IC很強大,但是從電源角度來看卻是不穩定的。


傳統上,用來為這類元件供電的,一直是具單獨大功率MOSFET的高效率開關穩壓器控制器,但是這類控制器具備潛在的雜訊干擾、較慢的暫態響應和佈局限制問題。因此,近幾年來,最大限度減少熱量的低壓差穩壓器(LDO)一直被作為替代解決方案,但這類穩壓器也並非不具限制。不過,由於該領域最新出現的產品創新,發展趨勢正在發生變化。較新型的大功率單晶開關穩壓器不再需要進行性能折衷,並正迅速獲得採用。


開關穩壓器與充電泵及 LDO

低電壓、大電流降壓轉換和調節可透過各種方法和各種設計折衷來實現。就剛起步者而言,開關穩壓器控制器以高效率運行,在寬廣的電壓範圍內提供大電流,但是需要諸如電感和電容 (以及在控制器情況下的 FET)等外部零組件才能運行。無電感充電泵(或開關電容電壓轉換器) 也可用來實現較低電壓的轉換,但是輸出電流能力受限,暫態性能不佳,且相較於現行線性穩壓器其需要更多外部元件。


因此,在數位 IC 電源應用中,不常見到充電泵。相反的,線性穩壓器,尤其是LDO便相當簡易,因為這類穩壓器僅需兩個外部電容即可操作。然而,線性穩壓器的功率也許受限,這取決於該IC兩端的輸入至輸出電壓差大小和負載需要多大電流、以及封裝的熱阻特性,而這便對線性穩壓器進入數位IC供電領域造成了限制。


大電流單晶降壓轉換器的設計挑戰

晶片製造技術線寬不斷變窄,嚴格遵循了摩爾定律(最初構想於1965年),因此要求數位 IC 以更低電壓運行。幾何尺寸更小的製程允許在最終產品中整合更多需要大量功率的功能。例如,現代電腦伺服器和通訊路由系統需要更大的頻寬,以處理更多計算資料和互聯網流量。汽車具備更多車載電子產品,以提供娛樂、導航、自助駕駛功能,甚至引擎控制。結果是系統電流消耗和所需的總功率增加了。因此,需要先進的封裝和創新性內部電源級設計,以將電源IC中的熱量發散出來,同時提供大功率。


較大的電源抑制比(PSRR)和較低的輸出電壓雜訊或漣波需求是另外兩項需要考慮的挑戰。具較大電源抑制比的元件能夠更容易地在輸入端濾除和抑制雜訊,從而產生乾淨和穩定的輸出。此外,在寬廣的頻寬內具較低輸出電壓雜訊或較低輸出漣波的元件有利於為今日的新式低雜訊軌供電,在這類電源軌中,雜訊靈敏度是設計時需要考慮的主要因素。隨著對高階FPGA速度要求的提高,電源雜訊容限不斷降低以將誤碼減到最小。就這類高速PLD而言,雜訊引起的數位故障大幅降低了有效資料吞吐率。在大電流時,輸入電源雜訊顯然是一項重要但要求嚴苛的性能規格。


較高的收發器速率(例如在 FPGA)決定了較大的電流,因為幾何尺寸小的電路在切換時功耗較大。這類IC速度很快,可能在幾十至數百奈秒內便將負載電流從接近零增大到幾安培,因此需要具超快暫態響應的穩壓器。


隨著為電源穩壓器保留的電路板面積越來越小,人們也日益了解具較高開關頻率的單晶開關穩壓器減小了外部零組件尺寸,因此也減小了解決方案的總體尺寸,伴隨而來的折衷,是由於較高頻率時的開關損耗,效率有某種微小損失。


不過,新一代單晶開關穩壓器提供的一些獨特功能,甚至在較高頻率時也能顯著降低開關損耗。也就是說,內建的高壓側和低壓側開關同步運行允許更良好地控制其閘極電壓,而大幅縮短了死區時間,因此能以更高效率運行。


大電流單晶開關穩壓器的最大挑戰之一,是其散熱能力,該熱量來自IC中產生的大量功耗。透過使用耐熱增強型球柵陣列(BGA)封裝可因應此挑戰,在此種封裝中,大部分焊錫球都專門用於電源針腳(VIN、SW、GND),以便熱量可以非常容易地從IC傳送到電路板中。電路板上連接到這些電源針腳的較大銅平面允許熱量更加均勻地散出。


新的大電流降壓穩壓器

顯然,可解決本文所提出之相關問題的降壓型轉換器解決方案,需具備以下屬性:


‧ 較高的開關頻率—減小外部元件尺寸


‧ 死區時間為零的設計—提高效率


‧ 單晶—內建功率元件以實現尺寸更小的解決方案


‧ 同步運行—效率更高和功耗更低


‧ 簡單的設計—需要的外部元件最少


‧ 非常低的輸出漣波


‧ 快速暫態響應


‧ 在寬廣輸入╱輸出電壓範圍內操作


‧ 能夠提供很大的輸出電流


‧ 熱性能


‧ 精小的接腳佔位


為了滿足這些特定需求,ADI推出Power by Linear的LTC71xx系列單晶大電流降壓穩壓器。該系列最新元件LTC7150S是一款20V/20A單晶同步降壓轉換器,具差分VOUT遠端感測。該元件獨特的可鎖相受控導通時間、定頻電流模式架構減輕了補償負擔,適合以高頻操作之同時還需快速暫態響應的高降壓比應用。LTC7150S運用 Silent Switcher 2技術,包括內建的旁路電容,以在高頻時提供具EMI性能的高效率解決方案。多達12個相位的多相運行允許直接並聯多個元件,以透過最小的輸入和輸出電容提供更大的電流。VOUT 遠端感測確保負載端電壓調節的準確性,不受負載電流或電路板佈局的影響。其3.1V至20V的寬廣輸入範圍支援多種應用,包括大多數中間匯流排電壓,並且與多種電池類型相容。內建的N通道MOSFET在 0.6V至VIN輸出電壓範圍內以最小的熱降額提供高達20A的連續負載電流,適合負載點應用,例如大電流╱低電壓DSP╱FPGA╱ASIC 參考設計。其他應用包括電訊╱資通訊系統、分散式電源架構和一般的高功率密度系統。圖1顯示一個典型的應用原理圖,展示設計的簡便性。



圖1 : LTC7150S 的典型應用原理圖
圖1 : LTC7150S 的典型應用原理圖

LTC7150S具備非常短的25ns最短導通時間,允許在高頻操作時實現高降壓比電源。工作頻率在400kHz至3MHz範圍內是用戶可選的,並可同步至一個外部時脈。在–40°C至125°C 操作接面溫度範圍內,LTC7150S的總差分輸出電壓準確度為+/-1%,其他特點包括高速差分遠端感測放大器、PHMODE相位選擇器針腳、準確的1.2V RUN針腳門檻、VIN過壓保護、電源良好標記和可編程軟啟動╱追蹤。


最後,LTC7150S採用耐熱增強型42接腳6mmx5mmx1.3mm BGA封裝,提供RoHS無鉛和含鉛SnPb(63/37)塗層。E級和I級版本規定可在–40°C至125°C接面溫度範圍內操作。


高效率、更低 EMI和快速暫態響應

LTC7150S元件具有第二代Silent Switcher技術。該IC整合用於VIN和BOOST的陶瓷電容,以保持很小的快速AC電流迴路,進而改善EMI性能。此外,該元件允許更快速的開關切換邊緣,這在高開關頻率時可大幅提高效率。


LTC7150S獨特的受控導通時間架構允許該IC快速響應暫態階躍。這是在暫態階躍時完成的—開關頻率自帶加速能力,而能允許電感電流更良好地追隨誤差放大器(ITH)輸出的意願。這允許更積極地設定ITH補償,從而增加迴路總頻寬。


LTC7150S允許在高頻時實現高效率,這是因為該元件具備一個關鍵特點,即顯著縮短了死區時間。該IC內部的伺服迴路在SW上升沿之前將死區時間鎖定為<1ns。死區時間縮短最大限度減少╱消除了對底部開關體二極體導通的需求。在頂部開關導通時,可從根本上消除底部開關體二極體反向恢復的影響。因這個特點而使功耗顯著降低。


更低的漣波電流可降低電感的磁芯損耗、輸出電容的ESR損耗和輸出電壓漣波。在低頻、小漣波電流時可實現高效率運行。不過,實現這一點需要一個大型電感。在元件尺寸、效率和工作頻率之間需要折衷。圖2中的曲線顯示了LTC7150S的高效率性能。


這種獨特的定頻╱受控導通時間架構適合以高頻操作的高降壓比應用,同時需要快速暫態響應。圖3顯示LTC7150S的暫態響應性能。



圖2 : LTC7150S 的效率性能
圖2 : LTC7150S 的效率性能

圖3 : LTC7150S 的暫態響應性能
圖3 : LTC7150S 的暫態響應性能

超低DCR電流感測應用

LTC7130是一款定頻、峰值電流模式控制、同步降壓DC/DC轉換器,具溫度補償的超低 DCR電流感測和時脈同步功能。該元件獨特的架構減輕了補償負擔,能夠直接並聯以實現更強的輸出電流能力。LTC7130並提高了電流感測訊號的訊號雜訊比,從而允許使用DC電阻非常低的功率電感,以在大電流應用中達到最高效率。該特點還減少了低 DCR應用中常見的開關抖動,並提高了電流限制的準確度。LTC7130的4.5V至20V輸入範圍支援多種應用,包括大多數中間匯流排電壓,並與多種電池類型相容。內建的N通道MOSFET在0.6V至 5.5V的輸出電壓範圍內可提供高達20A的連續負載電流,從而使該元件適合負載點應用,例如大電流╱低壓DSP╱FPGA╱ASIC參考設計。其他應用包括電訊╱資料通訊系統、分散式電源架構和一般的高功率密度系統。圖4顯示一典型的應用電路。



圖4 : LTC7130 的典型應用電路
圖4 : LTC7130 的典型應用電路

表1為 LTC7150S 和 LTC7130 的特點比較:


表1:比較 LTC7150S 和 LTC7130 的關鍵性能規格

參數

LTC7150S

LTC7130

備註

VIN 範圍

3.1V 至 20V

4.5V 至 20V

LTC7150S 可直接從 12V 匯流排、5V 或 3.3V 電源軌獲得功率

VOUT 範圍

0.6V 至 VIN

0.6V 至 5V

?

FSW 範圍

400kHz 至 3MHz

250kHz 至 770kHz

LTC7150S 需要的外部元件更小

tON

25ns

90ns

LTC7150S 具備更快的暫態響應,因此 COUT 可以減小

多相

多達 12 個相位

多達 12 個相位
(使用外部時脈晶片)

?

電流限制

內部設定

用外部元件進行 DCR 感測

?

封裝:BGA

6mm x 5mm x 1.3mm
(42 接腳)

6.25mm x 7.5mm x 2.22mm
(63 接腳)

?


結論

FPGA、微處理器等高性能數位 IC 的持續發展趨勢,是電流越來越大,而相對地操作電壓也越來越低,而這些是透過線寬日益變窄的晶片製造技術方能得以實現。然而,伴隨這些進步而來的,是其他應用需求,在電源管理領域,這類需求包括需要快速暫態響應、低雜訊 / 低漣波、以及高效率運作以將熱量降至最低。傳統上,為這些數位 IC 供電一直是透過 LDO 或基於電感的開關穩壓器控制器和外置功率元件完成。不過,ADI提供了採用高熱效率 BGA 封裝的新一代單晶、大電流降壓開關穩壓器解決了這些問題。這些產品包括 LTC7150S 和 LTC7130,該兩款元件均具備獨特的功能,能解決多種應用為數位 IC 供電的問題。


(本文作者Steve Knoth1、Steve Zhou2為Analog Devices電源產品1資深產品行銷工程師及2資深設計工程師)


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