求适合SoC的20V输入至1V、15A输出的解决方案？

　　多层陶瓷电容器（MLCC）的价格在过去几年急剧上涨，究其原因，与汽车、工业、数据中心和电信行业使用的电源数量增加有关。陶瓷电容被用在电源输出端，用于降低输出纹波，以及控制因为高压摆率加载瞬变而导致的输出电压过冲和欠冲。输入端则要求陶瓷电容进行解耦和过滤 EMI，这是因为在高频率下，它具备低 ESR 和低 ESL。
　　为了提高工业和汽车系统的性能，需要将数据处理速度提高几个等级，并且在微处理器、CPU、片上系统（SoC）、ASIC 和 FPGA 上集成更多耗电器件。这些复杂的器件类型需要多条稳压电轨：一般是内核 0.8 V，DDR3 和 LPDDR4 分别 1.2 V 和 1.1 V，外设和辅助组件分别为 5 V、3.3 V 和 1.8 V。降压（降压型）转换器被广泛用于调节电池或直流总线提供的电源。
　　例如，汽车中的高级驾驶员辅助系统（ADAS）产品组合大幅提升了陶瓷电容的使用率。随着电信行业开始采用 5G 技术，也需要用到高性能电源，这也会显著增加陶瓷电容的使用率。内核的电源电流从几安培增加到几十安培，且严格管控电源纹波、负载瞬变过冲 / 欠冲和电磁干扰（EMI），这些都需要额外的电容。
　　更高的电源工作（开关）频率可以降低瞬变对输出电压造成的影响，降低电容需求和整体解决方案的尺寸，但是更高的开关频率往往会导致开关损耗增加，降低整体效率。能否在先进的微处理器、CPU、SoC、ASIC 和FPGA 需要极高的电流时，避免这种取舍并满足瞬变要求？
　　ADI 的单芯片 Silent Switcher® 2 降压稳压器系列帮助实现紧凑的解决方案尺寸、高电流能力和高效率，更重要的是，还具备出色的 EMI 性能。LTC7151S 单芯片降压稳压器使用 Silent Switcher 2 架构来简化 EMI 滤波器设计。谷电流模式可以降低输出电容需求。我们来看看适合 SoC 的 20 V 输入至 1 V、15 A 输出解决方案。

　　01
　　面向 SoC 的 20 V 输入、15 A 解决方案
　　图 1 所示为适合 SoC 和 CPU 功率应用的 1 MHz、1.0 V、15 A 解决方案，其中输入一般为 12 V 或 5 V，可能在 3.1 V 至 20 V 之间波动。只需要输入和输出电容、电感、几个小型电阻和电容即会组成完整的电源。此电路易于修改，以生成其他输出电压，例如 1.8 V、1.1 V 和 0.85 V，一直到 0.6 V。输出电轨的负回流（至 V–引脚）使得其能够对负载附近的输出电压实施远程反馈检测，最大限度降低板路径的压降导致的反馈误差。
　　图 1 所示的解决方案使用 LTC7151S Silent Switcher 2 稳压器，该稳压器采用高性能集成式 MOSFET，以及 28 引脚散热增强型 4 mm × 5 mm × 0.74 mm LQFN 封装。通过谷电流模式实施控制。内置保护功能，以最大限度减少外部保护组件的数量。
　　顶部开关的最短导通时间仅为 20 ns（典型值），可以在极高频率下直接降压至内核电压。热管理功能支持可靠、持续地提供高达 15 A 的电流、20 V 的输入电压，无散热或气流，因此非常适合电信、工业、交通运输和汽车应用领域的 SOC、FPGA、DSP、GPU 和微处理器使用。
　　LTC7151S 具备广泛的输入范围，可以用作一级中间转换器，支持多个下游负载点或 LDO 稳压器在 5 V 或 3.3 V 时达到最高 15 A。
　　
　　图 1. 适用于 SoC 和 CPU 的 1 MHz、15 A 降压稳压器的原理图和效率。
　　02
　　使用最小的输出电容，满足严格的瞬变规格
　　一般来说，会扩大输出电容，以满足回路稳定性和负载瞬态响应要求。对于为处理器提供内核电压的电源，这些要求尤其严格，必须出色地控制负载瞬变过冲和欠冲。例如，在负载阶跃期间，输出电容必须介入，立即提供电流来支持负载，直到反馈回路将开关电流增高到足以接管。一般来说，可以通过在输出端安装大量多层陶瓷电容来抑制过冲和欠冲，在快速负载瞬变期间满足电荷存储要求。
　　另外，提高开关频率也可以改善快速回路响应，但这会增大开关损耗。
　　还有第三种选项：支持谷电流模式控制的稳压器可以动态改变稳压器的开关 TON 和 TOFF 时间，以满足负载瞬变需求。如此，可以大幅降低输出电容，以满足快速瞬变时间。图 2 所示为 LTC7151S Silent Switcher 稳压器立时响应 4 A 至 12 A 负载阶跃和 8 A/µs 压摆率之后的结果。
　　LTC7151S 采用受控导通时间（COT）谷电流模式架构，支持开关节点在 4 A 至 12 A 负载阶跃瞬变期间压缩脉冲。在上升沿启动约 1 µs 之后，输出电压开始恢复，过冲和欠冲则限制在 46 mV 峰峰值。图 2a 中所示的 3 个 100 µF 陶瓷电容足以满足典型的瞬变规格要求，如图 2b 所示。图 2c 显示负载阶跃期间的典型开关波形。
　　
　　图 2.（a） 这种 5 V 输入至 1 V 输出的应用在 2 MHz 下运行，需要最小的输出电容达到快速地响应（b）负载阶跃，以及负载阶跃期间的（c）开关波形。
　　03
　　3 MHz 高效降压型稳压器可用于狭小空间
　　LTC7151S 采用 4 mm × 5 mm × 0.74 mm 封装，其中集成了 MOSFET、驱动器和热回路电容。让这些组件彼此靠近可以降低寄生效应，以便快速开关这些开关，且保持很短的死区时间。开关的反并联二极管的导通损耗也大大降低。集成式热回路解耦电容和内置补偿电路也可以帮助降低设计复杂性，最大限度减小解决方案的总体尺寸。
　　如前所述，顶部开关的 20 ns（典型）最短间隔允许在高频率下实现极低的占空比转换，使得设计人员能够利用极高频率操作（例如 3 MHz）来降低电感、输入电容和输出电容的大小和值。极为紧凑的解决方案适用于空间有限的应用，例如汽车和医疗应用领域的便携式设备或仪器仪表。使用 LTC7151S 时，可以不使用大体积散热组件（例如风扇和散热器），这是因为 LTC7151S 支持高性能功率转换，即使在极高频率下也是如此。
　　图 3 显示在 3 MHz 开关频率下运行的 5 V 至 1 V 解决方案。伊顿提供的小尺寸 100 nH 电感和 3 个 100 µF/1210 陶瓷电容一起，提供适用于 FPGA和微处理器应用的纤薄紧凑型解决方案。效率曲线如图 3b 所示。在室温下，全负载范围内温度上升约 15°C。
　　
　　图 3.5 V 输入至 1 V/15 A，fSW = 3 MHz 下的稳压器原理图和效率。
　　04
　　Silent Switcher 2 帮助实现出色的 EMI 性能
　　使用 15 A 应用满足已经发布的 EMI 规范（例如 CISPR 22/CISPR 32 传导和辐射 EMI 峰值限值），可能意味着多个迭代板旋转，涉及在解决方案尺寸、总效率、可靠性和复杂性之间取舍。传统方法通过减慢开关边沿和 / 或降低开关频率来控制 EMI。这两种方法都会产生不良的影响，例如效率下降，最短接通和关断时间增加，以及增大解决方案尺寸。复杂、大尺寸的 EMI 滤波器或金属屏蔽等强力 EMI 消除方案在所需的电路板空间、组件和装配方面增加了大量成本，并使热管理和测试复杂化。
　　使用 15 A 应用满足已经发布的 EMI 规范（例如 CISPR 22/CISPR 32 传导和辐射 EMI 峰值限值），可能意味着多个迭代板旋转，涉及在解决方案尺寸、总效率、可靠性和复杂性之间取舍。传统方法通过减慢开关边沿和 / 或降低开关频率来控制 EMI。这两种方法都会产生不良的影响，例如效率下降，最短接通和关断时间增加，以及增大解决方案尺寸。复杂、大尺寸的 EMI 滤波器或金属屏蔽等强力 EMI 消除方案在所需的电路板空间、组件和装配方面增加了大量成本，并使热管理和测试复杂化。
　　LTC7151S 前端采用简单的 EMI 滤波器，在 EMI 测试室中接受测试，通过了 CISPR 22/ CISPR 32 导通和辐射 EMI 峰值限值认证。图 4 显示 1 MHz、1.2 V/15 A 电路的原理图，图 5 显示吉赫兹横电磁波（GTEM）电池的辐射 EMI CISPR 22 的测试结果。
　　
　　图 4. 开关频率为 1 MHz 的 1.2 V 稳压器的原理图。
　　
　　图 5.GTEM 中的辐射 EMI 通过 CISPR 22 Class B 限值测试。
　　结论
　　智能电子、自动化和传感器在工业和汽车环境中的普及，提高了对电源数量和性能的要求。特别是低 EMI，已成为更加重要的关键电源参数考量因素，除此以外，还包括小解决方案尺寸、高效率、热性能、稳健性和易用性等常规要求。
　　LTC7151S 使用 ADI 的 Silent Switcher 2 技术，尺寸紧凑，可以满足严格的 EMI 需求。LTC7151S 支持谷电流模式控制和高频率操作，可以动态变更 TON 和 TOFF 时间，几乎立即主动支持负载瞬变，因此可以使用更小的输出电容和快速响应。具备集成 MOSFET 和热管理性能，可以稳定可靠地从高达 20 V 的输入范围持续提供高达 15 A 电流。

　　LTC7151S
　　适用于低 EMI 的 Silent Switcher®2 架构
　　VIN 范围：3.1V 至 20V
　　VOUT 范围：0.5V 至 5.5V
　　差分 VOUT 远程检测
　　可调频率：400kHz 至 3MHz
　　PolyPhase® 运行：高达 12 相
　　输出追踪和软启动
　　基准电压源精度：±1% 过温
　　电流模式操作，实现出色的线路和负载瞬态响应
　　精确的 1.2V 运行引脚阈值
　　支持强制连续 / 不连续模式
　　耐热性能增强型 28 引脚 4mm × 5mm × 0.74mm LQFN 封装