降低陶瓷電容器的電源要求

2021-04-12

在過去的幾年中，多層陶瓷電容器（MLCC）的價格急劇上漲，追蹤了汽車，工業，數據中心和電信行業中使用的電源數量的增長。陶瓷電容器用于輸出的電源，以降低輸出紋波，并控制由于高擺率負載瞬變而引起的輸出電壓過沖和過沖。輸入端需要陶瓷電容器去耦并過濾高頻電磁干擾，因為它們的低ESR和低ESL。

為了提高工業和汽車系統的性能，需要將數據處理速度提高幾個數量級，同時越來越多的耗電設備被擠入微處理器，CPU，片上系統（SoC），ASIC和FPGA中。 。這些復雜的設備類型中的每一種都需要許多穩壓電壓軌：通常，內核0.8 V，DDR3和LPDDR4分別為1.2 V和1.1 V，外圍和輔助組件分別為5 V，3.3 V和1.8V。降壓（降壓）轉換器廣泛用于從電池或直流總線產生穩壓電源。

例如，汽車中高級駕駛員輔助系統（ADAS）的普及極大地提高了陶瓷電容器的使用率。隨著5G技術在需要高性能電源的電信領域的興起，陶瓷電容器的使用也將大大增加。內核電源電流已從幾安培增加到數十安培，并且可以非常嚴格地控制電源紋波，負載瞬態過沖/欠沖和電磁干擾（EMI），這些功能需要額外的電容。

在許多情況下，傳統的電源供應方法無法跟上變化的步伐?？傮w解決方案規模太大，效率太低，電路設計太復雜以及材料清單（BOM）成本太高。例如，為了滿足用于快速負載瞬變的嚴格電壓調節規范，在輸出端需要大量陶瓷電容器來存儲和提供由負載瞬變產生的大量電流。輸出陶瓷電容器的總成本可以達到功率IC的幾倍。

較高的電源工作（開關）頻率可以減小瞬變對輸出電壓的影響，并減小電容要求和整體解決方案尺寸，但是較高的開關頻率通常會導致開關損耗增加，從而降低整體效率。是否可以避免這種折衷，并滿足高級微處理器，CPU，SoC，ASIC和FPGA所要求的很高電流水平下的瞬態要求？

ADI公司的Power by Linear?單片式SilentSwitcher?2降壓穩壓器系列可實現緊湊的解決方案尺寸，高電流能力，高效率，更重要的是，具有出色的EMI性能。LTC7151S單片式降壓穩壓器采用Silent Switcher 2架構來簡化EMI濾波器設計。谷值電流模式降低了輸出電容要求。讓我們看一下SoC的20V輸入到1V，15A輸出的解決方案。

SoC的20 V輸入提供15 A解決方案圖1顯示了SoC和CPU電源應用的1 MHz，1.0 V，15 A解決方案，其中輸入通常為12 V或5 V，并且可以在3.1 V至20 V之間變化。輸入和輸出電容器，一個電感器以及幾個小電阻器和電容器是完成電源所必需的?？梢暂p松修改此電路以產生其他輸出電壓，例如低至0.6 V的1.8 V，1.1 V和0.85V。輸出軌的負返回電壓（至V–引腳）可實現對輸出的遠程反饋檢測靠近負載的電壓，最大程度地減小了電路板走線兩端的電壓降所引起的反饋誤差。

圖1中的解決方案使用LTC7151S Silent Switcher 2穩壓器，該穩壓器采用采用28引腳，耐熱增強型4 mm×5 mm×0.74 mm LQFN封裝的高性能集成MOSFET。通過谷值電流模式進行控制。內置保護功能可最大程度地減少外部保護組件的數量。

頂部開關的最短接通時間僅為20 ns（典型值），可在非常高的頻率下直接降壓至內核電壓。熱管理功能可在高達20V的輸入電壓下提供高達15A的可靠且連續的輸出電流，而無散熱片或氣流，使其成為電信，工業，交通運輸和汽車等SOC，FPGA，DSP，DSP，GPU和微處理器的熱門選擇應用程序。

LTC7151S的寬輸入范圍使其可用作第一級中間轉換器，在5 V或3.3 V時支持高達15 A的電流至多個下游負載點或LDO穩壓器。

使用最小的輸出電容器滿足嚴格的瞬態規范通常，按比例縮放輸出電容器可滿足環路穩定性和負載瞬態響應的要求。這些規格對于為處理器核心電壓供電的電源特別嚴格，在這些電源中，必須很好地控制負載瞬態過沖和下沖。例如，在負載階躍期間，輸出電容器必須介入，立即提供電流以支持負載，直到反饋環路產生足以接管的開關電流為止。通常，通過在輸出側安裝大量的多層陶瓷電容器來抑制過沖和下沖，從而在快速負載瞬變期間滿足電荷存儲要求。

另外地或可替代地，將開關頻率推高可以改善快速環路響應，但是以增加的開關損耗為代價。

第三種選擇是：具有谷值電流模式控制的調節器可以動態改變調節器的開關TON和TOFF時間，以幾乎瞬時滿足負載瞬變的要求。這樣可以大大減少輸出電容，從而滿足快速響應時間。圖2顯示了LTC7151S靜音開關穩壓器的結果，該結果立即以8 A /μs的壓擺率響應了從4 A到12 A的負載階躍。LTC7151S的受控導通時間（COT）谷值電流模式架構允許開關節點脈沖在4A至12A的負載階躍過渡期間壓縮。上升沿開始后約1μs，輸出電壓開始恢復，過沖和下沖限制在46 mV峰峰值。圖2a中所示的三個100μF陶瓷電容器足以滿足典型的瞬態規范，如圖2b所示。圖2c顯示了負載步驟期間的典型開關波形。

LTC7151S的4mm×5mm×0.74mm封裝中的3MHz高效降壓型器件在緊湊的空間內集成了MOSFET，驅動器和熱環路電容器。通過使這些組件保持靠近狀態，可以減少寄生效應，從而允許在死區時間非常短的情況下快速接通/斷開開關。開關的反并聯二極管的導通損耗大大降低。集成的熱環路去耦電容器和內置補償電路還消除了設計復雜性，最大程度地減小了解決方案的總尺寸。

圖3顯示了以3 MHz的開關頻率工作的5 V至1 V解決方案。Eaton的小尺寸100 nH電感器和三個100μF/ 1210陶瓷電容器一起為FPGA和微處理器應用提供了非常緊湊的緊湊型解決方案。效率曲線如圖3b所示。滿載條件下，室溫下的溫度上升約為15°C。

Silent Switcher 2技術可實現出色的EMI性能會議發布的EMI規范（例如CISPR 22 / CISPR 32傳導和輻射的EMI峰值限制）在15 A的應用下可能意味著許多迭代的電路板旋轉，涉及許多解決方案尺寸的權衡，總效率，可靠性和復雜性。傳統方法通過放慢開關邊緣和/或降低開關頻率來控制EMI。兩者都具有不良效果，例如效率降低，最小打開和關閉時間增加以及解決方案尺寸增大。減輕EMI的麻煩（例如，復雜而笨重的EMI濾波器或金屬屏蔽）會在所需的電路板空間，組件和組裝方面增加大量成本，同時使熱管理和測試復雜化。

ADI公司專有的Silent Switcher 2架構采用了許多EMI降低技術，包括集成的熱環路電容器，以最大程度地減小噪聲天線的尺寸。LTC7151S通過集成高性能MOSFET和驅動器來使EMI保持在低水平，這使IC設計人員能夠生產一種具有最小化開關節點振鈴的內置器件。結果是，即使開關沿具有較高的壓擺率，也可以高度控制存儲在熱環路中的相關能量，從而實現出色的EMI性能，同時將高工作頻率下的交流開關損耗降至最低。

LTC7151S已在EMI測試室中進行了測試，并通過了CISPR 22 / CISPR 32傳導和輻射的EMI峰值限制，并且前面帶有一個簡單的EMI濾波器。圖4顯示了1 MHz，1.2 V / 15 A電路的原理圖，圖5顯示了千兆赫橫向電磁（GTEM）單元的輻射EMI CISPR 22測試結果。