【導(dǎo)讀】隨著工業(yè)4.0、自動(dòng)駕駛、云計(jì)算等技術(shù)的飛速發(fā)展，其核心動(dòng)力——系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）、FPGA和高端微處理器的集成度與算力持續(xù)攀升。這直接導(dǎo)致了供電需求的演變：電壓降至0.8V至1.1V，而單路電流需求卻可輕松突破30A。在為這些核心芯片提供動(dòng)力的工業(yè)、汽車、服務(wù)器及通信設(shè)備中，電源設(shè)計(jì)已成為系統(tǒng)穩(wěn)定與能效的關(guān)鍵瓶頸。
為搭載先進(jìn)系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)、FPGA及微處理器的工業(yè)、汽車、服務(wù)器、電信與數(shù)據(jù)通信應(yīng)用提供運(yùn)行保障
在算力爆炸式增長(zhǎng)的今天，先進(jìn)系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）、FPGA及微處理器已成為驅(qū)動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化、智能汽車、數(shù)據(jù)中心與通信基礎(chǔ)設(shè)施的核心引擎。然而，這些“大腦”的運(yùn)轉(zhuǎn)正面臨著嚴(yán)峻的能源挑戰(zhàn)：半導(dǎo)體工藝日益精密，在帶來(lái)性能飛躍的同時(shí)，也導(dǎo)致了供電需求的復(fù)雜化與苛刻化。
現(xiàn)代處理解決方案通常需要一組高度精確的低壓電源網(wǎng)絡(luò)來(lái)協(xié)同工作：例如，低至0.8V的超低電壓用于內(nèi)核供電，1.1V用于DDR內(nèi)存，而3.3V/1.8V則用于各類I/O接口。更為關(guān)鍵的是，隨著單位面積內(nèi)晶體管數(shù)量激增，芯片的瞬時(shí)電流需求可輕松突破數(shù)十安培，這對(duì)傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)方案構(gòu)成了巨大的壓力。
與此同時(shí)，系統(tǒng)的智能化要求與日俱增。通過(guò)對(duì)電壓、電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理（即遙測(cè)技術(shù)），可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)與能效優(yōu)化。為了應(yīng)對(duì)這一趨勢(shì)，集成數(shù)字接口（如I2C/PMBus）的模擬電源IC應(yīng)運(yùn)而生，它們將強(qiáng)大的供電能力與智能管理功能融為一體，為構(gòu)建下一代高效、可靠的供電系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
因此，電源解決方案必須與I2C/PMBus集成，以支持遙測(cè)回讀和穩(wěn)壓器編程，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更大電流能力、更高效率和出色的抗電磁干擾(EMI)性能。擁有高性能且滿足這些要求的多相器件正變得越來(lái)越受青睞。本文將介紹一款雙相降壓型穩(wěn)壓器的一些設(shè)計(jì)思路。這款穩(wěn)壓器的兩個(gè)通道可以提供總計(jì)高達(dá)40 A的連續(xù)電流，每個(gè)通道支持高達(dá)30 A的負(fù)載。它還集成了數(shù)字電源系統(tǒng)管理功能，支持通過(guò)符合PMBus/I2C標(biāo)準(zhǔn)的串行接口進(jìn)行編程和遙測(cè)。設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必審慎考量并達(dá)成尺寸、效率、環(huán)路穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)等方面的目標(biāo)。
為什么效率很重要
假設(shè)一個(gè)應(yīng)用需要從12 V電源獲得1 V、30 A的低電壓、大電流輸出，且效率為80%，則總損耗將達(dá)到7.5 W。這些損耗會(huì)變成熱量，導(dǎo)致IC和電感的溫度上升。數(shù)據(jù)中心的環(huán)境溫度通常高于室溫，額外的損耗會(huì)使IC的溫度進(jìn)一步升高，從而更接近IC的熱關(guān)斷限值（通常為150°C）。對(duì)于負(fù)載點(diǎn)(POL)應(yīng)用，這類問(wèn)題尤為關(guān)鍵，因?yàn)镈C-DC轉(zhuǎn)換器往往非?？拷甙l(fā)熱量的微處理器。
下文將介紹幾種提升低壓大電流器件效率的方法。
SW節(jié)點(diǎn)處的PCB走線
在之前版本的雙相器件演示板設(shè)計(jì)中，第1相和第2相中的電感相對(duì)而置。如果電感以此特定方向放置，EMI性能會(huì)更好。這種方式的缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)(SW)節(jié)點(diǎn)會(huì)有相對(duì)較長(zhǎng)的走線，導(dǎo)致PCB走線損耗更大，尤其是在重負(fù)載條件下，因?yàn)閷?dǎo)通損耗與電流值的平方成正比(P = I2R)。
圖1所示為20 A負(fù)載條件下的熱圖像。開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)溫度非常高，其溫升幾乎與IC相同。適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可以改善PCB走線所引起的損耗。
圖1：室溫下12 VIN、0.6 VOUT、20 A負(fù)載的熱圖像
如果對(duì)PCB進(jìn)行切割，并將Ch1的電感向IC靠近以縮短SW節(jié)點(diǎn)走線。根據(jù)PCB走線的銅箔厚度與長(zhǎng)度計(jì)算，此時(shí)SW節(jié)點(diǎn)的直流電阻為1.01mΩ，在20A負(fù)載條件下的總損耗為0.41W。當(dāng)SW節(jié)點(diǎn)走線長(zhǎng)度縮短至0.3cm后，損耗優(yōu)化為0.17W。
圖2顯示了基于測(cè)試結(jié)果的效率改進(jìn)情況。在20 A和30 A負(fù)載條件下，損耗改善幅度分別為0.22 W和0.53 W。
圖2：12 VIN、0.6 VOUT、1 MHz Ch1 FCM VBIAS = 5 V下的效率改進(jìn)情況
當(dāng)負(fù)載提高時(shí)，效率差異會(huì)更大，意味著此PCB走線的導(dǎo)通損耗(P = I2R)將占主導(dǎo)地位。在滿負(fù)載條件下，效率可提升1.5%。電感無(wú)法如此靠近IC，因此在第二版的電路板布局中，電感旋轉(zhuǎn)90°以面向IC，從而縮短SW走線長(zhǎng)度。
增加CIN以抑制VIN振鈴
在我們的研究中，輸入電容對(duì)低電壓和大電流應(yīng)用的效率與穩(wěn)定性也有很大影響。工程師常常忽視輸入電容設(shè)計(jì)的重要性，憑以往經(jīng)驗(yàn)來(lái)布置輸入電容。有時(shí)候，受PCB方案總尺寸限制，工程師布置的輸入電容可能不足，導(dǎo)致電路不穩(wěn)定和更多損耗。
圖3：輸入電容框圖
圖3（從左到右）顯示了用于熱插拔和抑制浪涌電流的電解電容，大陶瓷電容（通常為1210或1206尺寸）用于減少輸入電流紋波，而小陶瓷電容（0402或0201尺寸）用于減少高頻紋波。除此之外，Silent Switcher 2技術(shù)會(huì)將一對(duì)電容嵌入封裝中，以進(jìn)一步減少SW高頻噪聲和過(guò)沖。圖3右側(cè)圖片顯示了兩個(gè)1206陶瓷電容（黃色）、四個(gè)0402封裝外陶瓷電容（藍(lán)色），外加四個(gè)采用去封裝技術(shù)的0402封裝內(nèi)電容（紅色）。封裝中裸片上方刻蝕一個(gè)孔，以暴露襯底上的封裝內(nèi)電容。
使用探頭對(duì)這些輸入電容和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)，觀察不同輸入電容組合的行為。
表1：CIN組合
然而，其代價(jià)是IC的最大工作溫度范圍從150°C(X8L)降低到125°C(X7R)。有時(shí)候，IC的最大溫度是一個(gè)重要考慮因素，因?yàn)樵S多應(yīng)用（如數(shù)據(jù)中心）的環(huán)境溫度超過(guò)70°C。工程師需要注意這些情況，因?yàn)槿绻x擇X7R封裝內(nèi)電容，最大溫度可能會(huì)超過(guò)工作范圍。
更大的CIN不僅會(huì)改善開(kāi)關(guān)的穩(wěn)定性，還有助于提升效率。圖8顯示，如果添加足夠的輸入電容，效率將提高約1.4%，損耗降低0.3 W。輸入端的振鈴和壓降會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增加。8個(gè)1206尺寸的電容與2個(gè)1210尺寸的電容具有相似的效率，因此在這種情況下，理想的CIN選擇將是2個(gè)22 μF的1210尺寸電容。
對(duì)于輸入電容的選擇，由于陶瓷電容具有較大的直流額定范圍，因此工程師還應(yīng)注意直流降額。例如，比較12 V下1206和1210電容的直流降額，1206尺寸電容的降額更嚴(yán)重。表2列出了兩個(gè)Murata電容作為示例。因此，建議使用1210尺寸電容作為低電壓、大電流電源的輸入。
如果總輸入電容較小，在重負(fù)載條件下，SW節(jié)點(diǎn)波形會(huì)出現(xiàn)較大的振鈴。這是因?yàn)楫?dāng)頂部開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，大部分電流將是從輸入電容中拉出?？傠姾?= 電容x電壓(Q = CV)。因此，如果電容較小，CIN將會(huì)有較大的壓降。CIN與輸入走線和IC封裝的寄生電感將形成LC諧振電路，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)振鈴。大電壓降也會(huì)導(dǎo)致SW失真和不穩(wěn)定，在小脈沖后面跟隨一個(gè)大脈沖。
如果增加輸入電容以抑制振鈴，可以改善開(kāi)關(guān)的不穩(wěn)定性。相較于小CIN組合，大CIN組合的總電容值翻倍。CIN越接近開(kāi)關(guān)的頂部，改善幅度就越大。因此，最好增加封裝內(nèi)電容的值。在我們的案例中，兩個(gè)0.1 μF（0402、X8L）電容增加到0.22 μF（0402、X7R）（見(jiàn)表1）后，開(kāi)關(guān)變得穩(wěn)定。
圖4：不同CIN下效率和損耗與負(fù)載電流的關(guān)系
表2： Murata電容比較
SIMPLIS仿真是一個(gè)有用的工具，可幫助工程師更好地確定CIN的最優(yōu)值。圖5顯示了一個(gè)降壓型穩(wěn)壓器，標(biāo)出了沿電源走線的寄生電感估計(jì)值。輸入電容已根據(jù)12 V輸入電壓下陶瓷電容的直流降額進(jìn)行了調(diào)整。如果輸入電容翻倍，從2x70 nF增加到2x140 nF，振鈴會(huì)得到改善。
圖5：SIMPLIS仿真原理圖
（作者：Haisong Deng，ADI公司高級(jí)應(yīng)用工程師）
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