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面向SoC和微处理器 20A单片式Silent Switcher®2稳压器

2018-05-21 09:28 来源:Analog Devices 编辑:电源网

对于工业和汽车系统中使用的先进 SoC (片内系统) 解决方案而言,功率预算持续地攀升。接连推出的每一代 SoC 都增添了高功耗器件并提升了数据处理速度。这些器件需要可靠的电源,包括用于内核的 0.8V,用于 DDR3 和 LPDDR4 的 1.2V 和 1.1V,以及用于外设和辅助组件的 5V、3.3V 和 1.8V。此外,先进 SoC 的性能要求高于传统 PWM 控制器和 MOSFET 所能提供的水平。因此,所需的解决方案必须更加紧凑、具有较高的电流能力、较高的效率,而且更重要的是必须拥有优越的 EMI 性能。这里正是我们 Power by Linear™ 单片式 Silent Switcher 2 降压型稳压器的用武之地,此类器件能够满足先进 SoC 的功率预算,同时符合 SoC 的尺寸和热限制条件。

采用 20V 输入的 20A 解决方案适用于 SoC

LTC®7150S 抬升了“高性能”在工业和汽车电源中的门槛。该器件具有高效率、小外形尺寸和低 EMI。集成化高性能 MOSFET 和热管理功能电路可在没有散热或冷却气流的情况下依靠高达 20V 的输入电压可靠和连续地输送高至 20A 的电流,因而使其非常适合工业、交通运输和汽车应用中的 SoC、FPGA、DSP、GPU 和微处理器 (μP)。

图 1 示出了一款用于 SoC 和 CPU 电源的 1.2V/20A 输出解决方案,其采用了开关频率为 1MHz 的 LTC7150S。该电路可容易地进行修改以适应其他的输出组合,包括 3.3V、1.8V、1.1V 和 0.6V,从而利用 LTC7150S 的宽输入范围。LTC7150S 拥有作为第一级 5V 电源的输出电流能力,在它的后面可布设一些位于不同输出的下游第二级开关稳压器或 LDO 稳压器。

图 1:降压型转换器的电原理图和效率:12VIN 至 1.2VOUT/20A

图 1:降压型转换器的电原理图和效率:12VIN 至 1.2VOUT/20A

具卓越 EMI 性能的 Silent Switcher 2

在高电流条件下通过 EMI 规则条例通常需要面对精细复杂的设计和测试难题,包括在解决方案尺寸、效率、可靠性和复杂性等诸多因素之间的大量权衡折衷。传统方法是通过减慢 MOSFET 开关边缘速率和 / 或降低开关频率来控制 EMI。这两种策略均涉及权衡取舍,例如:效率下降、最小接通和关断时间增加、以及解决方案尺寸增大等。诸如采用复杂庞大的 EMI 滤波器或金属屏蔽等其他 EMI 抑制方法则在电路板空间、组件和装配方面增加了显著的成本,同时还使热管理和测试工作复杂化。

Analog Devices 专有的 Silent Switcher 2 架构可通过集成型热环路电容器自我抵消 EMI,从而最大限度减小噪声天线尺寸。这与集成化 MOSFET 相结合,显著地减少了开关节点振铃和存储在热环路中的关联能量,即使在开关边缘速率非常快的情况下也不例外。结果是获得了异常出色的 EMI 性能,同时最大限度降低了 AC 开关损耗。LTC7150S 运用了 Silent Switcher 2 以尽量降低 EMI 和实现高效率,从而极大地简化了 EMI 滤波器设计和布局,非常适合那些对噪声敏感的环境。仅在前面布设一个简单的 EMI 滤波器,LTC7150S 即通过了 CISPR22/32 传导和辐射 EMI 峰值限制要求。图 2b 示出了辐射 EMI CISPR22 测试结果。

图 2a:VIN = 14V,VOUT = 1V/20A,fSW = 400kHz

图 2a:VIN = 14V,VOUT = 1V/20A,fSW = 400kHz


图 2b:图 2a 所示电路的辐射 EMI 性能

图 2b:图 2a 所示电路的辐射 EMI 性能

高频、高效率适合狭窄的空间

集成型 MOSFET、集成化热环路去耦电容器、内置补偿电路,所有这些使系统摆脱了设计复杂性的困扰,并利用电路简单性和 Silent Switcher 架构最大限度缩减了总解决方案尺寸。由于可进行高性能的电源转换,因此 LTC7150S 不需要增设额外的散热器或冷却气流就能提供高电流。与大多数解决方案不同,低 EMI 和高效率皆可在高频操作情况下实现,因而确保了小的无源组件尺寸。图 3 示出了一款 2MHz 解决方案,其在面向 FPGA 和 μP 应用且外形非常扁平的解决方案中使用了一个 72nH 小电感器和全陶瓷电容器。

图 3:LTC7150S 电原理图和热像图 (5V 输入至 0.85V/20A 输出,fSW = 2MHz)

图 3:LTC7150S 电原理图和热像图 (5V 输入至 0.85V/20A 输出,fSW = 2MHz)

结论

在工业和汽车环境中,对于智能化、自动化和感测能力不断增长的需求下导致那些电源性能要求越来越高的电子系统急速增加。除了解决方案尺寸、高效率、热效率、坚固性和易用性之外,低 EMI 也已经从事后考虑的事项升格为重要的电源要求之一。LTC7150S 通过运用 Silent Switcher 2 技术在紧凑的占板面积内满足了严苛的 EMI 要求。集成化 MOSFET 和热管理功能允许采用高达 20V 的输入范围和高至 3MHz 的频率范围以坚固和可靠的方式连续地提供高达 20A 的电流。

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