作者：Ying Cheng and Zhongming Ye

汽車、電信、數據通信和工業系統繼續采用越來越多的高級 SoC（片上系統）、FPGA 和微處理器解決方案。每一代 SoC 和 FPGA 都會隨著高功耗組件的添加和數據處理速度的提高而擴展功耗預算，以支持電信、音頻或視頻數據的實時流。這些需求只能通過堅固耐用、易于使用、高效率、高功率密度和低電磁輻射的低壓電源來滿足。

SoC 和 FPGA 需要多種低壓電源，包括 DDR 為 1.1 V、內核為 0.8 V 和 I/O 設備為 3.3 V/1.8 V。從寬范圍的汽車電池或工業總線電壓提供低于1 V的電壓通常需要兩個階段：一個中間調節級到12 V或5 V，另一個到低電壓。每個DC-DC轉換都必須高效并通過EMI標準，以使整個電源系統能夠滿足苛刻的汽車、電信、數據通信和工業規范。

使用傳統的降壓穩壓器可能很難滿足尺寸、效率和EMI設計目標。低于1 V降壓穩壓器傳統上依賴于體積龐大且EMI噪聲大的PWM控制器和MOSFET。汽車和工業系統的需求意味著設備必須讓位于更緊湊、具有更高電流能力、更高效率以及更重要的是卓越 EMI 性能的產品。線性功率?LTC7150S 和 LT8642S 系列中的單片式靜音開關器 2 降壓型穩壓器專為滿足具有高可靠性和穩健性的高級 SoC 電源需求而設計，同時滿足 EMI、尺寸和熱約束。

靜音開關穩壓器 2 架構可實現出色的 EMI 性能

使用傳統的DC-DC控制器可能難以滿足已發布的EMI標準，因此如果可能的話，EMI通常會預先解決。在系統設計和開發后期出現的EMI問題可能會在故障排除和重新設計方面花費大量金錢和時間。項目延誤、市場損失和商業信譽受損的風險太大，不能聽之任之。為了確保在整個電源設計過程中符合EMI標準，EMI抑制通常被優先考慮，有時甚至過度設計，而犧牲了其他理想的特性，即解決方案尺寸、總效率、可靠性和簡單性。

傳統方法通過減慢開關邊沿和/或降低開關頻率來控制EMI。例如，可以添加柵極電阻或緩沖器，以減慢開關邊沿的導通或關斷，并降低開關頻率以降低EMI。然而，這些策略需要權衡取舍，包括增加最小導通時間、限制電壓轉換比和更大的解決方案尺寸。替代緩解技術（如笨重的EMI濾波器或金屬屏蔽）大大增加了電路板空間成本，增加了元件數量和更高的裝配復雜性，同時使熱管理和測試進一步復雜化。這些策略都不能滿足要求苛刻的SoC功率預算，即緊湊的尺寸、高效率和低EMI。

LT8642S是一款18 V/10 A降壓單芯片靜音開關穩壓器2穩壓器，采用4 mm×4 mm LQFN封裝。圖1顯示了12 V至1.2 V/10 A LT8642S解決方案及其超低EMI結果。LT8642S僅采用一個鐵氧體磁珠和輸入電容器作為輸入EMI濾波器，能夠以充足的裕量滿足嚴格的CISPR 25 5 Class 5輻射EMI規范（汽車行業廣泛采用）。另一個流行的EMI規范是消費電子產品制造商經常使用的CISPR 32。LT8642S即使沒有輸入EMI濾波器，也能輕松滿足CISPR 32 B類輻射EMI規范。

圖1.采用LT8642S的超低EMI 1.2 V/10 A應用。

LTC7150S是同類產品中的首款20 A、高效率降壓型穩壓器，采用靜音開關2技術，可最大限度降低電磁發射，從而大大簡化了EMI濾波器的設計和布局，使其成為噪聲敏感型環境的理想選擇。ADI公司專有的靜音開關2架構具有出色的EMI性能，同時最大限度地降低了單芯片穩壓器的交流開關損耗。IC中包括熱回路電容器。這與集成MOSFET相結合，可顯著減小噪聲天線尺寸并最大限度地降低EMI。

在非常快速的開關邊沿上，開關節點振鈴最小化，從而降低了高頻噪聲以及存儲在熱回路中的相關能量。此外，熱回路一分為二，對稱布局以實現EMI自消除。這為噪聲敏感的汽車環境提供了安靜的電源，其中強大的SoC用于高級駕駛輔助系統（ADAS）或自動駕駛系統。這也滿足了電信、運輸和工業系統的要求，在這些系統中，需要高效率、低噪聲的電源來為下一代 SoC、CPU 和微處理器供電。

LTC7150S通過CISPR 25輻射EMI峰值限值，在前面安裝了一個簡單的EMI濾波器，如圖2中的原理圖所示，其中安裝了一個簡單的帶有鐵氧體磁珠的濾波器。圖3顯示了輻射EMI CISPR 25測試結果，它通過了CISPR 25 5類峰值限制。

圖2.LTC7150S 內置 EMI 濾波器。

圖3.LTC7150S 輻射 EMI 性能。

并聯多個轉換器以擴展輸出電流

自動駕駛和自動泊車等高級功能需要更強大的 SoC 來實現實時流視覺或人工智能。同樣，電信和大數據安裝中的計算和服務器系統包括高性能SoC解決方案，這些解決方案需要比以往更多的功率。對于需要超過20 A電流能力的處理器系統，多個LTC7150S可以并聯并異相運行。

LTC7150S 具有一種同步功能，該功能可實現與一個外部時鐘的同步，而內部 PLL （鎖相環） 則允許 LTC7150S 異相操作以實現多通道、多相操作以減小紋波。CLKOUT 信號可連接至后續 LTC7150S 的 MODE/SYNC 引腳，以對齊整個系統的頻率和相位。多相操作在PHMODE引腳上實現。將PHMODE引腳連接到INTV抄送、SGND或浮動引腳在施加在MODE/SYNC引腳上的時鐘與CLKOUT之間產生相位差;差異分別為 180°、120° 或 90°，分別對應于 2 相、3 相或 4 相操作。通過將每個 LTC7150S 的 PHMODE 引腳設置為不同的電壓電平，總共 12 個通道可以彼此異相運行。

圖4顯示了兩個并聯的轉換器，在1.2 V時提供40 A輸出電流。通過將 U1 的 CLKOUT 連接到 U2 的模式/同步，來自主單元的時鐘與從設備同步。主PHMODE引腳接地，從PHMODE引腳保持浮動狀態。這導致兩個通道之間的相位差為 180°，從而降低了輸入電流紋波。為了確保在穩態和啟動期間更好的均流，ITH、FB 和 TRACK/SS 連接在一起。本地 RT電阻是必需的，不應連接在一起。建議使用開爾文連接以獲得準確的反饋和抗噪性。在底層接地引腳附近放置盡可能多的電源過孔，以提高熱性能。輸入熱回路的陶瓷帽應靠近 V 放置在引 腳。

圖4.并聯兩個LTC7150S穩壓器，將輸出電流能力擴展到40 A。

圖5.圖4中40 A電路的效率。

電感電流在啟動和穩態期間保持平衡，如圖6所示。當輸入為3.3 V時，32 A時的效率可高達89%。

圖6.并聯解決方案的電感電流波形。

高開關頻率提供高效率的緊湊型解決方案

靜音開關穩壓器 2 架構不僅可在 LT8642S 應用中實現出色的 EMI 性能，還能產生快速、干凈的開關邊沿，從而降低開關損耗。最小的開關損耗以及僅 20 ns 的最小導通時間，可在高開關頻率和小解決方案尺寸下實現高效率。例如，12 V至1.2 V LT8642S解決方案可在2 MHz開關頻率下實現88%以上的效率。此外，由于其高速峰值電流模式架構，LT8642S 可在過載或短路條件下采用飽和電感器安全地工作。因此，可以根據輸出負載要求選擇電感器。

緊湊型電源解決方案通常與熱性能相沖突。LT8642S能夠通過高效率和增強型熱封裝克服這種典型的權衡。圖7顯示了5 V/10 A LT8642S解決方案，開關頻率為1 MHz。對于12 V輸入，LT8642S在提供50 W功率時以小于47°C的外殼溫升工作，峰值效率達到97%以上。

圖7.采用LT8642S的50 W （5 V/10 A）解決方案。

圖8所示為3 MHz LT8642S解決方案。高頻操作通過使用一個小電感器和一個低值輸出電容來最大限度地減小解決方案尺寸。

圖8.采用LT8642S的3.3 V、3 MHz應用。

LT8642S 還具有使能控制、電源良好指示器和軟啟動功能。這些功能對于 SoC 和 FPGA 電源所需的系統電源排序至關重要。

ADI公司的線性電源產品組合提供一系列降壓穩壓器，可滿足高級SoC、FPGA和微處理器的各種功率預算。表 1 列出了一些設備及其當前功能。

結論

工業和汽車環境中對更多智能、自動化和傳感的需求導致需要越來越高性能電源的電子系統激增。低 EMI 已從事后才想到的重中之重，而解決方案尺寸、高效率、熱熟練度、穩健性和易用性仍然很重要。

ADI單芯片穩壓器在這些領域表現出色，可滿足汽車、電信、數據中心和工業客戶的要求。特別是，包括LTC7150S和LT8642S在內的高性能單片式穩壓器系列通過采用專有的靜音開關技術，以緊湊的尺寸滿足嚴格的EMI標準。集成 MOSFET 和集成熱管理功能可在高達 20 V 的輸入范圍內穩健可靠地提供從幾安培到超過 20 A 的電流。該器件均包括使能控制、電源良好指示器和軟啟動功能，因此只需幾個組件即可完成電源設計。

審核編輯：郭婷