用于信号和数据处理电路的DC－DC转换器解决方案
作者：Dong Wang
数据处理 IC（如现场可编程门阵列 （FPGA）、片上系统 （SoC） 和微处理器）在电信、网络、工业、汽车、航空电子和国防系统中的应用范围不断扩大。这些系统的一个共同点是不断提高处理能力，从而导致原始功率需求的相应增加。设计人员非常了解高功率处理器的热管理问题，但可能不会考虑电源的热管理问题。与晶体管封装的处理器本身不同，当低内核电压需要高电流时，最坏情况下的热问题是不可避免的，这是所有数据处理系统电源的总体趋势。
DC-DC 转换器要求概述：EMI、转换比、尺寸和热考虑因素
通常，FPGA/SoC/微处理器需要多个电源轨，包括用于外设和辅助电源的5 V、3.3 V和1.8 V，用于DDR4和LPDDR4的1.2 V和1.1 V，以及用于处理内核的0.8 V。产生这些电源轨的DC-DC转换器通常从电池或中间直流总线获取12 V或5 V输入。为了将这些源直流电压降压到处理器所需的低得多的电压，自然会选择开关模式降压转换器，因为它们在大降压比下具有高效率。开关模式转换器有数百种类型，但许多可分为控制器（外部MOSFET）或单片式稳压器（内部MOSFET）。我们先来看前者。
传统的控制器解决方案可能不符合要求
传统的开关模式控制器IC驱动外部MOSFET，并具有外部反馈控制环路补偿组件。由此产生的转换器可以非常高效和通用，同时提供高功率，但所需的分立元件数量使设计相对复杂且难以优化。外部开关也会限制开关速度，这在空间非常宝贵时是一个问题，例如在汽车或航空电子环境中，因为较低的开关频率会导致整个组件尺寸更大。另一方面，单片式稳压器可以大大简化设计。本文深入介绍单片解决方案，从“减小尺寸同时改善EMI”部分开始。
不要忽视最短开机和关断时间
另一个重要的考虑因素是转换器的最小导通和关断时间，或者说它在足以从输入到输出降压的占空比下工作的能力。降压比越大，所需的最小导通时间越低（也取决于频率）。同样，最小关断时间对应于压差：在不再支持输出之前，输入可以达到多低。虽然提高开关频率的好处是整体解决方案更小，但最小导通和关断时间决定了工作频率的上限。总之，这些值越低，您在设计小尺寸和高功率密度方面的回旋余地就越大。
关注实际 EMI 性能
卓越的EMI性能对于与其他噪声敏感器件的安全操作也是必需的。在工业、电信或汽车应用中，最大限度地降低EMI可能是电源设计的重要优先事项。为了使复杂的电子系统能够协同工作，而不会因重叠的EMI而出现问题，采用了严格的EMI标准，例如CISPR 25和CISPR 32辐射EMI规范。为了满足这些要求，传统的电源方法通过减慢开关边沿和降低开关频率来降低EMI，前者导致效率降低和散热增加，后者导致功率密度降低。
降低开关频率还可能违反CISPR 25标准中530 kHz至1.8 MHz AM频段EMI要求。可以采用机械抑制技术来降低噪声水平，包括复杂、笨重的EMI滤波器或金属屏蔽，但这些技术大大增加了成本和电路板空间、元件数量和装配复杂性，同时使热管理和测试进一步复杂化。这些策略都不能满足紧凑尺寸、高效率和低EMI的要求。
减小尺寸，同时提高 EMI 和热性能以及效率
很明显，电源系统设计已经达到了一个复杂的地步，给系统设计人员带来了沉重的负担。为了减轻一些负担，一个好的策略是寻找能够同时解决许多问题的电源IC解决方案：降低电路板的复杂性，高效率运行，最大限度地减少散热，并产生低EMI。可支持多个输出通道的电源IC进一步简化了设计和生产。
单片式电源IC将开关集成到封装中，可以实现其中的许多目标。例如，图1显示了一个完整的双输出解决方案板，说明了单芯片稳压器的紧凑简单性。此处使用的IC中的集成MOSFET和内置补偿电路只需要几个外部元件。该解决方案的总内核尺寸仅为22 mm×18 mm，部分原因是相对较高的2 MHz开关频率。
图1.紧凑、高开关频率、高效率的解决方案，具有出色的 EMI 性能。
该板的原理图如图2所示。在该解决方案中，转换器以2 MHz运行，使用LT8652S的两个通道在8.5 A时产生3.3 V电压，在8.5 A时产生1.2 V电压。可以轻松修改该电路，以产生包括3.3 V和1.8 V、3.3 V和1 V等在内的输出组合。或者，为了利用LT8652S的宽输入范围，LT8652S可用作继12 V、5 V或3.3 V前置稳压器之后的第二级转换器，以提高总效率和功率密度性能。LT8652S具有高效率和出色的热管理功能，可同时为每个通道提供8.5 A电流，为并行输出提供17 A电流，为单通道操作提供高达12 A电流。凭借 3 V 至 18 V 输入范围，它可以覆盖 FPGA/SoC/微处理器应用所需的大多数输入电压组合。
图2.双输出、2 MHz、3.3 V/8.5 A和1.2 V/8.5 A应用，采用LT8652S的两个通道。
双输出、单芯片稳压器的性能
图3显示了图1中解决方案的实测效率。对于单通道工作，该解决方案在3.3 V电源轨上实现了94%的峰值效率，在12 V输入电压下实现了87%的峰值效率（1.2 V电源轨）。对于双通道操作，LT8652S在12 V输入时具有90%的峰值效率，在8.5 A负载电流下每个通道具有86%的满载效率。由于关断时间跳跃功能，LT8652S具有接近100%的扩展占空比，以最低的输入电压范围调节输出电压。20 ns（典型值）的最小导通时间甚至可以在高开关频率下工作，直接从12 V电池或直流总线产生小于1 V的输出，从而减小整体解决方案尺寸和成本，同时避免AM频段。集成旁路电容器的静音切换器 2 技术可防止可能出现的布局或生产问题，从而影响卓越的台式 EMI 和效率性能。®
图3.单路和双路输出的效率，开关频率为2 MHz。
用于大电流负载的差分电压检测
对于高电流应用，每线性英寸的PCB走线都会产生显著的压降。对于现代核心电路中典型的低电压、高电流负载，需要非常紧凑的电压范围，电压降会导致严重的问题。LT8652S具有差分输出电压检测功能，允许客户建立开尔文连接，用于直接从输出电容器进行输出电压检测和反馈。它可以校正高达±300 mV的输出接地线电位。图 4 显示了利用差分检测功能的两个通道的 LT8652S 负载调整率。
图4.LT8652S负载调节，具有差分检测功能。
监视输出电流
在某些大电流应用中，必须收集输出电流信息以进行遥测和诊断。此外，根据工作温度限制最大输出电流或降低输出电流可以防止损坏负载。因此，恒压、恒流操作需要精确调节输出电流。LT8652S 使用 IMON 引脚来监视和减小流向负载的有效调节电流。
当IMON对负载的调节电流进行编程时，IMON可以配置为根据IMON和GND之间的电阻来降低该调节电流。负载/电路板温度降额使用正温度系数热敏电阻进行编程。当电路板/负载温度升高时，IMON电压上升。为了降低调节电流，将IMON电压与内部1 V基准电压进行比较，以调整占空比。IMON电压可以低于1 V，但这样就没有影响了。图5显示了激活IMON电流环路前后的输出电压与负载电流的关系曲线。
图5.LT8652S输出电压与电流曲线的关系
低电磁干扰
为了使复杂的电子系统正常工作，对单个组件解决方案应用了严格的EMI标准。为了在多个行业中保持一致，标准已被广泛采用，例如用于工业的CISPR 32和用于汽车的CISPR 25。为实现卓越的 EMI 性能，LT8652S 采用领先的静音开关稳压器 2 技术，采用 EMI 消除设计和集成热回路电容，可最大限度地减小噪声天线尺寸。结合集成的 MOSFET 和小解决方案尺寸，LT8652S 解决方案可提供出色的 EMI 性能。图6显示了图1所示LT8652S标准演示板的EMI测试结果。图6a显示了带峰值检波器的CISPR 25辐射EMI，图6b显示了CISPR 32辐射EMI结果。
图6.图1应用电路的辐射EMI测试结果。V在= 14 V， V输出1= 3.3 V/8.5 A， V输出2= 1.2 V/8.5 A。
并联操作，可实现更高的电流和更好的热性能
随着数据处理速度的飙升和数据量的成倍增加，FPGA 和 SoC 的功能不断扩展以满足这些需求。电源需要电源，电源应保持功率密度和性能。尽管如此，在追求更高的功率密度时，不应失去简单性和鲁棒性的优点。对于需要超过17 A电流能力的处理器系统，多个LT8652S可以并联，相互异相运行。
图7显示了两个并联的转换器，在1 V时提供34 A输出电流。通过将 U1 的 CLKOUT 绑定到 U2 的 SYNC，将来自主单元的时钟同步到从设备。由此产生的每通道90°相位差可降低输入电流纹波，并将热负载分散到电路板上。
图7.适用于 SoC 应用的 4 相、1 V/34 A、2 MHz 解决方案。
为了确保在稳态和启动期间更好的均流，VC、FB、SNSGND 和 SS 连接在一起。建议使用开尔文连接以获得准确的反馈和抗噪性。在底层接地引脚附近放置尽可能多的热通孔，以提高热性能。输入热回路的陶瓷电容应靠近VIN引脚放置。
汽车 SoC 施加的负载瞬态要求可能难以满足，因为驾驶条件可能会急剧、频繁和快速地变化，而 SoC 必须无延迟地适应快速变化的负载。外设电源的负载电流压摆率为100 A/μs，内核电源的负载电流压摆率甚至更高，这种情况并不少见。然而，在快速负载电流转换速率下，电源输出端的电压瞬变必须最小化。快速开关频率 >2 MHz 可实现快速瞬态恢复，输出电压偏移最小。图7显示了利用快速开关频率和稳定动态环路响应的适当环路补偿元件值。在电路板布局中，最小化从电路输出电容到负载的走线电感也很重要。
图8.图7电路的负载瞬态响应
结论
FPGA、SoC 和微处理器的处理能力不断提高，导致原始功耗要求相应增加。随着所需电源轨的数量及其承载能力的增加，必须快速考虑电源系统的设计和性能。LT8652S是一款电流模式、8.5 A、18 V同步静音开关2降压稳压器，采用3 V至18 V输入电压范围工作，适合输入源范围从单节锂离子电池到汽车输入的应用。
LT8652S的工作频率范围为300 kHz至3 MHz，使设计人员能够最大限度地减小外部元件尺寸，并避开AM无线电等关键频段。静音开关稳压器 2 技术保证了出色的 EMI 性能，而不会牺牲开关频率和功率密度，也不会牺牲开关速度和效率。Silent Switcher 2 技术还将所有必要的旁路电容器集成到封装中，从而最大限度地减少布局或生产引起的 EMI 意外的可能性，从而简化设计和制造。
突发模式操作可将静态电流降至仅 16 μA，同时保持较低的输出电压纹波。4 mm × 7 mm LQFN 封装和极少的外部元件相结合，可确保非常紧凑的占位面积，同时最大限度地降低解决方案成本。LT8652S的24 mΩ/8 mΩ开关可提供超过90%的效率，而可编程欠压锁定（UVLO）则优化了系统性能。输出电压的远程差分检测可在整个负载范围内保持高精度，同时不受走线阻抗的影响，从而最大限度地减少外部变化导致负载损坏的可能性。其他特性包括内部/外部补偿、软启动、频率折返和热关断保护。
