【導讀】現場可編程門陣列(FPGA)
、片上係統(SoC)和微處理器等數據處理IC不斷擴大在電信、網絡、工業、汽車

、航(hang)空(kong)電(dian)子(zi)和(he)國(guo)防(fang)係(xi)統(tong)領(ling)域(yu)的(de)應(ying)用(yong)。這(zhe)些(xie)係(xi)統(tong)的(de)一(yi)個(ge)共(gong)同(tong)點(dian)是(shi)處(chu)理(li)能(neng)力(li)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)，導(dao)致(zhi)原(yuan)始(shi)功(gong)率(lv)需(xu)求(qiu)相(xiang)應(ying)增(zeng)加(jia)。設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)很(hen)清(qing)楚(chu)高(gao)功(gong)率(lv)處(chu)理(li)器(qi)的(de)熱(re)管(guan)理(li)問(wen)題(ti)
，但(dan)可(ke)能(neng)不(bu)會(hui)考(kao)慮(lv)電(dian)源(yuan)的(de)熱(re)管(guan)理(li)問(wen)題(ti)。與(yu)晶(jing)體(ti)管(guan)封(feng)裝(zhuang)處(chu)理(li)器(qi)本(ben)身(shen)類(lei)似(si)，當(dang)低(di)內(nei)核(he)電(dian)壓(ya)需(xu)要(yao)高(gao)電(dian)流(liu)時(shi)，熱(re)問(wen)題(ti)在(zai)最(zui)差(cha)情(qing)況(kuang)下(xia)不(bu)可(ke)避(bi)免(mian)——這是所有數據處理係統的總體電源趨勢。

DC-DC轉換器需求概述：EMI、轉換比率、大小和散熱考慮

通常，FPGA/SoC/微處理器需要多個電源軌，包括用於外圍和輔助電源的5 V、3.3 V和1.8 V，用於DDR4和LPDDR4的1.2 V和1.1 V，以及用於處理核心的0.8 V。產生這些電源軌的DC-DC轉換器通常從電池或中間直流母線獲取12 V或5 Vshurudianya。weilejiangzhexiedianyuanzhiliudianyajiangzhichuliqisuoxudegengdidedianya，ziranhuixuanyongkaiguanmoshijiangyazhuanhuanqi，yinweitamenzaidajiangyabishixiaolvgao。kaiguanmoshizhuanhuanqiyoushubaizhongleixing，danhenduodoukefenweikongzhiqi（外部MOSFET）或單片穩壓器（內部MOSFET）。我們先來看看前者。

傳統控製器解決方案可能不符合要求

傳統開關模式控製器IC驅動外部MOSFET，具(ju)有(you)外(wai)部(bu)反(fan)饋(kui)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)補(bu)償(chang)元(yuan)件(jian)。由(you)此(ci)產(chan)生(sheng)的(de)轉(zhuan)換(huan)器(qi)效(xiao)率(lv)很(hen)高(gao)且(qie)功(gong)能(neng)多(duo)樣(yang)，同(tong)時(shi)提(ti)供(gong)高(gao)功(gong)率(lv)，但(dan)所(suo)需(xu)的(de)分(fen)立(li)元(yuan)件(jian)的(de)數(shu)量(liang)使(shi)得(de)設(she)計(ji)相(xiang)對(dui)複(fu)雜(za)且(qie)難(nan)以(yi)優(you)化(hua)。外(wai)部(bu)開(kai)關(guan)也(ye)會(hui)限(xian)製(zhi)開(kai)關(guan)速(su)度(du)

，在(zai)空(kong)間(jian)寶(bao)貴(gui)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)這(zhe)是(shi)一(yi)個(ge)問(wen)題(ti)，比(bi)如(ru)在(zai)汽(qi)車(che)或(huo)航(hang)空(kong)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)環(huan)境(jing)中(zhong)，因(yin)為(wei)較(jiao)低(di)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)會(hui)導(dao)致(zhi)整(zheng)個(ge)元(yuan)件(jian)體(ti)積(ji)更(geng)大(da)。

另一方麵，單片穩壓器則可以極大地簡化設計。本文深入討論整體解決方案
，首先介紹"減小尺寸，同時改善EMI"部分。

不要忽視最小導通和關斷時間

另(ling)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)考(kao)慮(lv)因(yin)素(su)是(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)最(zui)小(xiao)導(dao)通(tong)和(he)關(guan)斷(duan)時(shi)間(jian)，或(huo)其(qi)在(zai)足(zu)以(yi)從(cong)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)降(jiang)至(zhi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)占(zhan)空(kong)比(bi)下(xia)運(yun)行(xing)的(de)能(neng)力(li)。降(jiang)壓(ya)比(bi)越(yue)大(da)
，所(suo)需(xu)最(zui)小(xiao)導(dao)通(tong)時(shi)間(jian)越(yue)低(di)（也取決於頻率）。同樣地，最小關斷時間對應於壓差：在zai輸shu出chu電dian壓ya不bu再zai受shou支zhi持chi之zhi前qian輸shu入ru電dian壓ya能neng降jiang到dao多duo低di。雖sui然ran增zeng加jia開kai關guan頻pin率lv的de好hao處chu是shi整zheng體ti解jie決jue方fang案an更geng小xiao，但dan最zui小xiao導dao通tong和he關guan斷duan時shi間jian會hui設she置zhi工gong作zuo頻pin率lv的de上shang限xian。總zong之zhi

，這zhe些xie值zhi越yue低di，在zai設she計ji小xiao尺chi寸cun和he高gao功gong率lv密mi度du時shi就jiu有you越yue多duo的de餘yu地di。

注意真實的EMI性能

其他噪聲敏感器件要安全運行
，還需要具備出色的EMI性能。在工業、電信或汽車應用中，電源設計的一個重點是較大限度地減少EMI。為了使複雜的電子係統能夠協同工作，不因EMI重疊而產生問題，采用了嚴格的EMI標準，如CISPR 25和CISPR 32輻射EMI規範。為了滿足這些要求，傳統電源方法通過減慢開關邊緣和降低開關頻率來減少EMI——前者降低了效率，提高了散熱，而後者降低了功率密度。

降低的開關頻率還可能違背CISPR 25標準中的530 kHz至1.8 MHz AM頻段EMI要求。可以采用機械減緩技術來降低噪聲水平
，包括複雜、大尺寸的EMI濾波器或金屬屏蔽，但這些技術不但增加了大量成本，而且使電路板空間、元件數量和裝配複雜性增加，並進一步使熱管理和測試複雜化。這些策略都不能滿足小尺寸
、高效率和低EMI的要求。

減小尺寸

，同時改善EMI、熱性能和效率

henmingxian
，dianyuanxitongshejiyibiandeshifenfuza，zhegeixitongshejirenyuandailailechenzhongdefudan。weilejianqingzhezhongfudan，yigehaodecelveshixunzhaojuyoutongshijiejuexuduowentigongnengdedianyuanIC解決方案：降低電路板的複雜性，高效率地工作，較大限度地減少散熱，並產生低EMI。可支持多個輸出通道的功率IC可進一步簡化設計和生產。

開關集成在封裝中的單片電源IC可實現其中多個目標。例如
，圖1所示為完整的雙路輸出解決方案板
，說明了單片穩壓器的緊湊簡單。此處使用的IC中的集成MOSFET和內置補償電路隻需要幾個外部元件。此解決方案的總核心尺寸僅為22 mm × 18 mm
，部分通過相對較高的2 MHz開關頻率實現。

圖1. 具有出色EMI性能的緊湊型、高開關頻率
、高效率解決方案。

此電路板的原理圖如圖2所示。在此解決方案中，轉換器使用 LT8652S的兩個通道
，在2 MHz的頻率下運行，並在8.5 A下產生3.3 V電壓
，在8.5 A下產生1.2 V電壓。可輕鬆修改此電路以產生包括3.3 V和1.8 V
、3.3 V和1 V等在內的輸出組合。或者，為了利用LT8652S的寬輸入範圍
，LT8652S可用作二級轉換器
，再使用12 V、5 V或3.3 V前置穩壓器，以提高總效率和功率密度性能。由於高效率和出色的熱管理，LT8652S可同時為每個通道提供8.5 A
，17 A用於並行輸出，高達12 A用於單通道操作。借助3 V至18 V輸入範圍，該器件可覆蓋FPGA/SoC/微處理器應用的大多數輸入電壓組合。

圖2. 使用LT8652S的兩個通道的雙路輸出、2 MHz、3.3 V/8.5 A和1.2 V/8.5 A應用。

雙路輸出
、單片穩壓器的性能

圖3顯示了圖1所示解決方案的測量效率。對於單通道操作
，使用該解決方案，在輸入電壓為12 V時，3.3 V電源軌的峰值效率達到94%，1.2 V電源軌的峰值效率達到87%。對於雙通道操作，LT8652S在12 V輸入電壓時每個通道達到90%的峰值效率
，在8.5 A負載電流時每個通道達到86%的全負載效率。

由於關斷時間跳過功能，LT8652S的延長占空比接近100%
，使用最低輸入電壓範圍調節輸出電壓。20 ns典型最小導通時間甚至使其可在高開關頻率下操作穩壓器
，直接從12 V電池或直流母線生成小於1 V的輸出電壓——最終減少整體解決方案大小和成本
，同時避免了AM頻段。具有集成旁路電容的Silent Switcher® 2技術可防止可能出現的布局或生產問題

，從而避免影響出色的台式EMI和效率性能。

圖3. 具有2 MHz開關頻率的單路和雙路輸出效率。

高電流負載的差分電壓檢測

對於高電流應用
，每一英寸PCB線路都會導致大幅壓降。對於現代核心電路中需要極窄電壓範圍的典型低電壓
、高電流負載，壓降會導致嚴重的問題。LT8652S提供差分輸出電壓檢測功能
，允許客戶創建開爾文連接，以實現輸出電壓檢測和直接從輸出電容進行反饋。它可以校正最高±300 mV的輸出接地線路電位。圖4顯示LT8652S利用差分檢測功能對兩個通道進行負載調整。

圖4. LT8652S使用差分檢測功能進行負載調整。

監控輸出電流

zaiyixiegaodianliuyingyongzhong
，bixushoujishuchudianliuxinxilaijinxingyaocehezhenduan。ciwai，genjugongzuowenduxianzhizuidashuchudianliuhuojiangdishuchudianliukefangzhisunhuaifuzai。yinci，xuyaojinxinghengya、恒流操作以精確調節輸出電流。LT8652S使用IMON引腳監控並減少負載的有效調節電流。

當IMON對負載設置調節電流時
，可根據IMON和GND之間的電阻來配置IMON以減小此調節電流。負載/電路板溫度降額可使用正溫度係數熱敏電阻來設置。當電路板/負載溫度上升時，IMON電壓增加。為了減小調節電流
，將IMON電壓與內部1 V基準電壓進行比較以調節占空比。IMON電壓可低於1 V，但這樣就不會產生影響。圖5顯示激活IMON電流環路前後的輸出電壓和負載電流曲線。

圖5. LT8652S輸出電壓和電流曲線。

低電磁輻射(EMI)

為了使複雜的電子係統能夠工作，對單個元件解決方案應用了嚴格的EMI標準。為了在多個行業中保持一致性

，廣泛采用了各種標準，如CISPR 32工業標準和CISPR 25汽車標準。為了獲得出色的EMI性能
，LT8652S在EMI消除設計中采用了較領先的Silent Switcher 2技術，並使用集成環路電容以盡量減少有噪天線尺寸。加上集成MOSFET和小尺寸

，LT8652S解決方案可提供出色的EMI性能。圖6顯示圖1所示LT8652S標準演示板的EMI測試結果。圖6a顯示峰值檢測器的CISPR 25輻射EMI結果，圖6b顯示CISPR 32輻射EMI結果。

圖6. 圖1應用電路的輻射EMI測試結果。VIN = 14 V，VOUT1 = 3.3 V/8.5 A，VOUT2 = 1.2 V/8.5 A。

可獲得更大電流和更好熱性能的並聯操作

隨著數據處理速度的飆升和數據量的倍增
，為滿足這些需求，FPGA和SoCdenengliyesuizhikuozhan。dianyuanxuyaogonglv
，qiedianyuanyingbaochigonglvmiduhexingneng。raner
，bunengweilezengjiagonglvmiduershiqujiandanxinghewenjianxingdeyoudian。duiyuyaoqiuchaoguo17 A電流能力的處理器係統
，可將多個LT8652S並聯且錯相運行。

圖7顯示兩個並聯的轉換器可在1 V時提供34 A輸出電流。通過將U1的CLKOUT連接至U2的SYNC

，使主單元時鍾與從單元同步。由此產生的每通道90°相位差減少了輸入電流紋波，並將熱負載擴散到電路板上。

圖7. 適用於SoC應用的4相、1 V/34 A、2 MHz解決方案。

為確保在穩定狀態和啟動期間更好的均流，將VC
、FB、SNSGND和SS連(lian)接(jie)在(zai)一(yi)起(qi)。建(jian)議(yi)使(shi)用(yong)開(kai)爾(er)文(wen)連(lian)接(jie)以(yi)獲(huo)得(de)精(jing)確(que)的(de)反(fan)饋(kui)和(he)抗(kang)噪(zao)性(xing)能(neng)。在(zai)接(jie)地(di)引(yin)腳(jiao)附(fu)近(jin)將(jiang)盡(jin)可(ke)能(neng)多(duo)的(de)熱(re)通(tong)孔(kong)放(fang)置(zhi)到(dao)底(di)層(ceng)，以(yi)改(gai)善(shan)熱(re)性(xing)能(neng)。輸(shu)入(ru)熱(re)回(hui)路(lu)的(de)陶(tao)瓷(ci)電(dian)容(rong)應(ying)靠(kao)近(jin)VIN引腳放置。

由於駕駛條件可能發生劇烈、頻繁和快速變化，SoC必須及時適應快速變化的負載，因此，汽車SoC施加的負載瞬態要求可能很難滿足。外圍電源的負載電流壓擺率達100 A/μs，核心電源的壓擺率甚至更高，這是很常見的。然而，在快速負載電流壓擺率下

，必須將電源輸出的電壓瞬變最小化。>2 MHz的快速開關頻率可快速恢複瞬變，且輸出電壓偏移最小。圖7顯(xian)示(shi)利(li)用(yong)快(kuai)速(su)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)和(he)穩(wen)定(ding)動(dong)態(tai)環(huan)路(lu)響(xiang)應(ying)的(de)正(zheng)確(que)的(de)環(huan)路(lu)補(bu)償(chang)元(yuan)件(jian)值(zhi)。在(zai)電(dian)路(lu)板(ban)布(bu)局(ju)中(zhong)，較(jiao)大(da)限(xian)度(du)地(di)減(jian)少(shao)電(dian)路(lu)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)到(dao)負(fu)載(zai)的(de)線(xian)路(lu)電(dian)感(gan)也(ye)是(shi)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)的(de)。

圖8. 圖7電路的負載瞬態響應。

結論

FPGA、SoC和he微wei處chu理li器qi的de處chu理li能neng力li不bu斷duan提ti高gao
，原yuan始shi功gong率lv需xu求qiu也ye相xiang應ying增zeng加jia。隨sui著zhe所suo需xu功gong率lv電dian軌gui數shu量liang及ji其qi承cheng載zai能neng力li的de增zeng加jia

，必bi須xu考kao慮lv設she計ji小xiao型xing電dian源yuan係xi統tong，並bing加jia快kuai係xi統tong性xing能neng。LT8652S是電流模式
、8.5 A、18 V同步Silent Switcher 2降壓穩壓器，輸入電壓範圍為3 V至18 V，適用於從單節鋰離子電池到汽車輸入的輸入源應用。

LT8652S的工作頻率範圍為300 kHz至3 MHz
，使設計人員可盡量減少外部元件尺寸並避免關鍵頻段，如調頻廣播。Silent Switcher 2技術可保證出色的EMI性能
，既不會犧牲開關頻率和功率密度，也不會犧牲開關速度和效率。Silent Switcher 2技術還在封裝中集成了所有必要的旁路電容，可較大限度地減少布局或生產可能引起的意外EMI，從而簡化了設計和生產。

Burst Mode®（突發工作模式）操作將靜態電流減少到隻有16 μA，同時使輸出電壓紋波保持在低值。4 mm × 7 mm LQFN封裝和極少數外部元件可確保外形緊湊，同時盡量減少解決方案成本。LT8652S的24 mΩ/8 mΩ開關提供超過90%的效率
，而可編程欠壓閉鎖(UVLO)可(ke)優(you)化(hua)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)。輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)遠(yuan)程(cheng)差(cha)分(fen)檢(jian)測(ce)在(zai)整(zheng)個(ge)負(fu)載(zai)範(fan)圍(wei)內(nei)都(dou)保(bao)持(chi)高(gao)精(jing)度(du)，同(tong)時(shi)不(bu)受(shou)線(xian)路(lu)阻(zu)抗(kang)的(de)影(ying)響(xiang)，從(cong)而(er)較(jiao)大(da)限(xian)度(du)地(di)降(jiang)低(di)了(le)外(wai)部(bu)變(bian)化(hua)造(zao)成(cheng)負(fu)載(zai)損(sun)壞(huai)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)。其(qi)他(ta)功(gong)能(neng)包(bao)括(kuo)內(nei)部(bu)/外部補償、軟啟動、頻率折返和熱關斷保護。

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