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● C消費類音頻/視頻

 

市場滲透率如此之高，全球對大電流低壓數字IC的需求激增也就不足為奇了。當前全球市場規模預估超過18億美元
，預計該市場在2018年至2025年期間年增長率為10.87%，將達到37億美元。作為該市場最大的組成部分之一，預計FPGA的市場規模到 2025年底將達15.3億美元。數字IC市場的其他代表產品還包括 GPU
、微控製器和微處理器、可編程邏輯器件(PLD)
、數字信號處理器(DSP)和專用集成電路(ASIC)。

 

高功率密度數字IC幾乎已經滲透進入所有的嵌入式係統。FPGA可以在上述市場領域實現先進應用。例如，在汽車應用中，高級駕駛員輔助係統(ADAS)和防撞係統可以預防由人為錯誤而引起的災難。同樣，政府規定的安全功能（諸如防抱死製動係統
、穩定性控製和電子控製的獨立懸掛係統等）也需要FPGA來發揮作用。

 

在消費類電子產品領域，對物聯網(IoT)功能、複雜的圖形引擎功能和機器對機器(M2M)功能的需求迫切需要先進的數字IC。海量數據存儲、雲計算中心以及光網絡模塊的擴展網絡推動了對FPGA和數字IC的需求。

 

這些數字IC功能強大，但要求嚴苛，特別是在功率需求方麵。傳統上，為FPGA和ASIC供電一直采用高效開關穩壓器控製器驅動高功率MOSFET完成，但是這些基於控製器的電源方案存在潛在的噪聲幹擾、相對較慢的瞬態響應和布局限製等問題。近年來，可最大限度減少熱量的小型且安靜的低壓差(LDO)穩壓器已 經被用作替代方案，但它仍然存在自身的局限性。最近的電源轉換創新引入了高功率單片式開關穩壓器，它能夠為數字IC有效供電
，兼具低噪聲和高效率，同時還最大限度地降低了空間需求。

 

開關穩壓器、電荷泵與LDO穩壓器

 

實現低電壓、大da電dian流liu降jiang壓ya轉zhuan換huan與yu調tiao節jie可ke采cai用yong多duo種zhong方fang法fa
，每mei種zhong方fang法fa都dou有you各ge自zi的de性xing能neng和he設she計ji權quan衡heng考kao量liang。開kai關guan穩wen壓ya器qi控kong製zhi器qi能neng夠gou在zai寬kuan電dian壓ya範fan圍wei內nei和he高gao負fu載zai電dian流liu下xia高gao效xiao運yun行xing
，但dan它ta們men需xu要yao多duo個ge外wai部bu元yuan件jian（如電感、電容和FET）才能運行；而這些元件可能會成為高頻和低頻噪聲的來源。無電感電荷泵（或開關電容電壓轉換 器）也可以用來產生低電壓，但其輸出電流能力受限，瞬態性能較差，並且需要多個外部元件。因此，電荷泵在數字IC電源應用中並不常見。線性穩壓器（尤其是LDO穩壓器）很簡單，因為它們隻需要兩個外部電容即可工作。但是，它們的功率可能受限
，這取決於IC兩端輸入到輸出的電壓差大小
、負載所需 電流的大小以及封裝的熱阻特性。這無疑限製了它們為數字IC供電的能力。

 

單片式降壓型轉換器的設計挑戰

 

摩爾定律自1965年問世以來，其遠見性和有效性一再得到驗證。晶圓製造技術的線寬不斷縮小
，從而降低了數字IC的(de)電(dian)壓(ya)。更(geng)小(xiao)的(de)幾(ji)何(he)形(xing)狀(zhuang)工(gong)藝(yi)可(ke)以(yi)在(zai)最(zui)終(zhong)產(chan)品(pin)中(zhong)高(gao)度(du)集(ji)成(cheng)更(geng)多(duo)的(de)高(gao)耗(hao)電(dian)功(gong)能(neng)。例(li)如(ru)，現(xian)代(dai)計(ji)算(suan)機(ji)服(fu)務(wu)器(qi)和(he)光(guang)通(tong)信(xin)路(lu)由(you)係(xi)統(tong)需(xu)要(yao)更(geng)寬(kuan)的(de)帶(dai)寬(kuan)來(lai)處(chu)理(li)更(geng)多(duo)的(de)計(ji)算(suan)數(shu)據(ju)和(he)互(hu)聯(lian)網(wang)流(liu)量(liang)；這些係統還會產生大量的熱量
，因此需要高效率的IC。汽車配備更多的車載電子設備，用於娛樂、導航、自(zi)動(dong)駕(jia)駛(shi)功(gong)能(neng)甚(shen)至(zhi)發(fa)動(dong)機(ji)控(kong)製(zhi)。於(yu)是(shi)，係(xi)統(tong)的(de)電(dian)流(liu)消(xiao)耗(hao)和(he)相(xiang)應(ying)的(de)總(zong)功(gong)耗(hao)都(dou)會(hui)增(zeng)加(jia)。因(yin)此(ci)，需(xu)要(yao)先(xian)進(jin)的(de)封(feng)裝(zhuang)和(he)內(nei)部(bu)功(gong)率(lv)級(ji)的(de)創(chuang)新(xin)設(she)計(ji)將(jiang)熱(re)量(liang)驅(qu)散(san)出(chu)功(gong)率(lv)IC，同時提供更高的功率。

 

高電源抑製比(PSRR)和低輸出電壓噪聲（或紋波）是(shi)重(zhong)要(yao)的(de)考(kao)慮(lv)因(yin)素(su)。具(ju)有(you)高(gao)電(dian)源(yuan)抑(yi)製(zhi)比(bi)的(de)器(qi)件(jian)可(ke)以(yi)過(guo)濾(lv)和(he)抑(yi)製(zhi)輸(shu)入(ru)噪(zao)聲(sheng)，從(cong)而(er)獲(huo)得(de)幹(gan)淨(jing)穩(wen)定(ding)的(de)輸(shu)出(chu)。此(ci)外(wai)，電(dian)源(yuan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)需(xu)要(yao)在(zai)寬(kuan)帶(dai)寬(kuan)範(fan)圍(wei)內(nei)具(ju)有(you)低(di)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)噪(zao)聲(sheng)（或低輸出紋波），因為現代數字係統具有多個電源軌，其中噪聲靈敏度是設計的主要考慮因素。隨著高端FPGA對速度要求的提高
，電源噪聲容差逐漸降低
，以最大限度地減少誤碼。噪聲引起的數字故障會大大降低這些高速PLD的有效數據吞吐速率。大電流下的輸入電源噪聲成為對電源要求更嚴苛的規範之一。

 

收發器速率越高（例如在FPGA中），導致電流水平越高，這是由精細的幾何形狀電路切換產生的高功耗所致。這些IC速度很快。它們可能循環的在幾十至幾百納秒內就使負載電流從接近零到幾安培
，因此需要具有超快速瞬態響應的穩壓器。

 

suizheliugeigonglvwenyaqidedianlubanmianjibuduanjianshao，xuduoxitongshejirenyuanzhuanxiangshiyonggongzuoyukuaisukaiguanpinlvxiadedanpianshikaiguanwenyaqi，yijianxiaowaibuyuanjiandechicunhezhengtijiejuefangandechicun，zheyiweizhexuyaojieshouyingenggaopinlvxiadekaiguansunhaoerdaozhiyixiexiaolvsunhaodequanhengqushe。shiyongxinyidaidanpianshikaiguanwenyaqikeyibimianzhezhongquanhengqushe。zhexiexinde 穩wen壓ya器qi集ji成cheng了le高gao邊bian和he低di邊bian開kai關guan，具ju有you同tong步bu操cao作zuo功gong能neng，可ke以yi嚴yan格ge控kong製zhi開kai關guan柵zha極ji電dian壓ya，大da大da縮suo短duan了le死si區qu時shi間jian
，即ji使shi在zai高gao頻pin率lv下xia也ye可ke以yi實shi現xian更geng高gao的de效xiao率lv。

 

大電流單片式開關的最大挑戰之一是能否散發由IC內功率損耗產生的熱量。這一難題可以通過使用多個電源引腳和接地引腳以及帶有銅(Cu)柱的耐熱性能增強型層壓式封裝來解決，該封裝可以很輕鬆地將熱量從IC傳輸到電路板上。將較大的板上覆銅平麵連接到這些電源引腳
，使熱量分布更均勻。

 

全新Silent Switcher降壓型轉換器係列

 

顯然，適合高性能數字IC的降壓型轉換器解決方案必須具有以下特性：

 

● 快速開關頻率，以使外部元件的尺寸最小

● 零死區時間設計，以使高頻效率最大

● 單芯片板載電源器件，以使解決方案尺寸更小

● 多相操作支持並聯運行
，以實現高輸出電流並減少紋波

● 低EMI
，以滿足低係統噪聲要求

● 同步操作，以實現高效率和低功率損耗

● 設計簡單，以縮短設計周期並簡化認證與測試

● 輸出紋波極低

● 快速瞬態響應時間

● 在寬輸入/輸出電壓範圍內工作

● 高輸出電流能力

● 出色的散熱性能

● 緊湊的尺寸

 

ADI公司 Power by LinearTM LTC33xx係列單片式高
、中和低電流降壓型穩壓器具備這些特性。電流最高的器件是LTC3310S, 它是一款5 V、10 A的高功率密度、低 Silent Switcher® 2 單片式同步降壓型轉換器，采用9 mm2 封裝（功率密度 = 1.11 A/mm2)。該器件的固定頻率峰值電流模式架構非常適合要求快速瞬態響應的應用。LTC3310S采用集成了熱環路旁路電容的Silent Switcher 2架構
，可在高達5 MHz的頻率下實現高效率、小占板麵積的解決方案以及出色的EMI性能。多相操作支持最多四個器件直接並聯，以提供高達40 A的輸出電流。

 

LTC3310S的2.25 V至5.5 V輸入範圍支持眾多應用，包括大多數中間總線電壓。集成的低導通電阻MOSFET可提供高達10 A的連續負載電流
，且熱降額極少。0.5 V至 VIN 的輸出電壓範圍非常適合負載點應用
，比如高電流、低電壓的DSP/FPGA/GPU/ASIC設計。其他主 要應用包括光網絡
、電信/數據通信
、汽車係統
、分布式電源架構及任何中高功率密度係統。圖1顯示了典型設計的簡潔性
，圖2則顯示了產生4相 40A配置非常簡單。

 

圖1. LTC3310S典型應用。

 

圖2. 4個LTC3310S單片式穩壓器並聯構成一個4相、40A降壓型穩壓器。

 

LTC3310S低至35 ns的最短導通時間可實現高頻率下的大降壓比，並且當輸入與輸出電壓值接近時
，100%占空比操作可提供低壓差性能。工作頻率可同步至一個外部時鍾。LTC3310S的總體基準電壓精度在-40°C至+125°C的工作結溫範圍內優於±1%。其他特性包括指示輸出處於穩壓狀態的電源良好信號
、精準使能門限
、輸出過壓保護、熱停機、芯片溫度監視器、可編程軟啟動
、跟蹤、時鍾同步
、模式選擇和輸出短路保護。

 

LTC3310S采用耐熱性能增強型18引腳3 mm×3 mm×0.94 mm LQFN封裝。E級和I級器件的額定工作結溫範圍為-40°C至+125°C，而J級和H級的額定工作結溫範圍為-40°C至+150°C。

 

高效率、低EMI和快速瞬態響應

 

Silent Switcher降壓型穩壓器設計在高開關頻率(>2 MHz)下提供高效率、超低電磁幹擾(EMI)輻射
，從而可實現非常緊湊且低噪聲的降壓解決方案。Silent Switcher係列采用特殊的設計和封裝技術，在2 MHz下能夠實現>92%的效率
，同時可以輕鬆符合CISPR 25 5類峰值EMI限製。新一代的Silent Switcher 2技術的內部結構采用銅柱代替鍵合線，增加了內部旁路電容，以及集成式襯底接地平麵以進一步提高EMI


，使其對PCB布局不敏感，從而可簡化設計並 降低性能風險。

 

LTC3310S產品型號中的“S”代表它采用第二代Silent Switcher技術。IC集成了VIN陶瓷電容

，以保持所有快速交流電流環路都很小
，從而改善了EMI性能。該技術支持快速開關邊沿，在高開關頻率下可提供高效率，同時實現良好的EMI性能（參見圖3、圖4和圖5）。此外
，它允許更快速
、更幹淨的低過衝開關邊沿，從而大大提高了在高開關頻率下的效率。圖6顯示了LTC3310S的高效率性能。

 

圖3. CISPR 25傳導EMI輻射
，5類峰值限製（電壓法）。

 

圖4. 水平極性輻射。

 

圖5. 垂直極性輻射。

 

圖6. LTC3310S效率性能。

 

LTC3310S的固定頻率峰值電流模式架構簡化了補償，使IC能夠快速響應瞬態階躍。外部補償元件使控製環路得以優化
，以實現更高帶寬和更快速的瞬態響應。

 

采用2 mm × 2 mm封裝的6 A、4 A和3 A Silent Switcher降壓器

 

對於更高的功率密度，第一代Silent Switcher架構是一個很好的解決方案。Silent Switcher拓撲與Silent Switcher 2拓撲類似
，隻是 VIN 旁路電容位於外部

，而不是位於塑料密封的倒裝芯片層壓式封裝內部。為了完全實現Silent Switcher的低EMI性能
，需將外部 VIN旁路電容對稱放置於封裝外部。這種電容分離式的對稱放置可以最大限度地減少熱環路的有效麵積，從而降低EMI並縮小封裝占位尺寸。

 

LTC3309A, LTC3308A 和 LTC3307A 是5 V輸入的穩壓器，可分別支持 6 A、4 A和3 A
，以實現高功率密度

、低EMI單片式降壓轉換。它們的工作頻率均可達3 MHz，封裝尺寸為 4 mm2 （LTC3309A的功率密度 = 1.5 A/mm2)。

 

圖7顯示了一個LTC3309A的典型應用。固定頻率峰值電流模式架構非常適合於快速瞬態響應，包括 Burst Mode® 操作期間的快速瞬態響應（參見圖8）。LTC3309A采用Silent Switcher架構，並利用了外部熱環路旁路電容。這種設計可在高工作頻率下實現高效率、 小占板麵積的解決方案和出色的EMI性能。

 

該係列輸入電壓範圍為2.25 V至5.5 V，可支持多種應用，包括大多數中間總線電壓，並與鋰電池和鎳電池類型兼容。集成的低導通電阻MOSFET可提供高達6 A的連續負載電流。0.5 V至 VIN的輸出電壓範圍非常適合負載點應用，比如高電流/低電壓DSP/FPGA/GPU/ASIC參考設計。其他主要應用包括電信/數據通信和汽車係統、分布式電源架構和通用電源係統。

 

LTC3309A
、LTC3308A和LTC3307A可工作在強製連續或跳脈衝模式（以實現低噪聲）或低紋波、低 IQQ突發模式（以在輕負載條件下實現高效率)，非常適合電池供電型係統。低至22 ns的最短導通時間仍可實現高降壓比，即使電源工作在較高頻率下也是如 此，並且當輸入與輸出電壓值相同時
，100%占空比操作可提供低壓差性能。工作頻率可同步至一個外部時鍾。總體基準電壓精度在-55°C至+150°C的工作結溫範圍內優於±1%。該器件可在過載情況下安全地承受電感飽和。其他特性包括指示輸出處於穩壓狀態的電源良好信號

、內部軟啟動
、精準使能門限、輸出 過壓與短路保護、熱停機和時鍾同步。

 

LTC3309A、LTC3308A和LTC3307A均為引腳兼容的器件，采用耐熱性能增強型、外形扁平的12引腳2 mm × 2 mm × 0.74 mm LQFN緊湊型封裝。E級和I級器件的額定工作結溫範圍為-40°C至+125°C。J級和H級的額定工作結溫範圍為-40°C至+150°C，MP級的額定工作結溫範圍為-55°C至+150°C。

 

圖7. LTC3309A典型應用電路。

 

圖8. LTC3309A在突發模式操作時的瞬態響應。

 

表1比較了LTC33xx Silent Switcher和Silent Switcher 2係列的產品特性。

 

表1. 故障模式和支持的範圍

 

結論

 

高性能數字IC（例如GPU、FPGA和微處理器）的趨勢是電流需求迅速增加且工作電壓下降
，這得益於晶圓製造技術的線寬縮小。電流和電壓需求隻是整個電源設計的一個部分。數字IC的進步還提出了許多其他要求
，包括快速瞬態響應、低EMI
、低噪聲/紋波以及有效運行以減少熱量。

 

傳統上，數字IC采用LDO穩(wen)壓(ya)器(qi)或(huo)基(ji)於(yu)電(dian)感(gan)的(de)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)控(kong)製(zhi)器(qi)以(yi)及(ji)板(ban)外(wai)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)供(gong)電(dian)。隨(sui)著(zhe)對(dui)電(dian)源(yuan)性(xing)能(neng)和(he)尺(chi)寸(cun)要(yao)求(qiu)的(de)提(ti)高(gao)
，在(zai)許(xu)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)
，這(zhe)些(xie)傳(chuan)統(tong)方(fang)法(fa)不(bu)再(zai)能(neng)勝(sheng)任(ren)此(ci)任(ren)務(wu)。ADI公司新一代的單片式電源則完全能夠勝任，這些產品包括LTC3310S、LTC3309A
、LTC3308A和LTC3307A，分別支持10 A、6 A、4 A和3 A。這些高功率密度的Silent Switcher和Silent Switcher 2降壓型穩壓器采用高散熱效率、緊湊的倒裝芯片層壓式封裝，並具有多種特性組合，可滿足多種數字IC電源問題的需求。

 

 

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