降低工业和汽车应用中陶瓷电容器的电源要求
作者：Zhongming Ye
在过去几年中，多层陶瓷电容器（MLCC）的价格急剧上涨，跟踪了汽车，工业，数据中心和电信行业中使用的电源数量的扩展。陶瓷电容器用于输出端的电源中，以降低输出纹波，并控制由于高压摆率负载瞬变引起的输出电压过冲和欠冲。输入端需要陶瓷电容器进行去耦和滤除EMI，因为它们在高频下具有低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数量级，越来越多的高功耗设备被挤入微处理器、CPU、片上系统 （SoC）、ASIC 和 FPGA。这些复杂器件类型中的每一种都需要多个稳压轨：通常，内核为 0.8 V，DDR3 和 LPDDR4 分别为 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。降压转换器广泛用于从电池或直流母线产生稳压电源。
例如，高级驾驶辅助系统（ADAS）在汽车中的普及大大提高了陶瓷电容器的使用率。随着5G技术在电信领域的兴起，需要高性能电源，陶瓷电容器的使用也将显着增加。内核电源电流已从几安培增加到数十安培，对电源纹波、负载瞬态过冲/欠冲和电磁干扰 （EMI） 的控制非常严格，这些功能需要额外的电容。
在许多情况下，传统的电源方法无法跟上变化的步伐。整体解决方案尺寸太大，效率太低，电路设计太复杂，物料清单（BOM）成本太高。例如，为了满足快速负载瞬变的严格电压调节规范，输出端需要大量陶瓷电容器来存储和源出负载瞬变产生的大量电流。输出陶瓷电容器的总成本可以达到功率IC的几倍。
较高的电源工作（开关）频率可以降低瞬变对输出电压的影响，降低电容要求和整体解决方案尺寸，但较高的开关频率通常会导致开关损耗增加，从而降低整体效率。是否有可能避免这种权衡，并在高级微处理器、CPU、SoC、ASIC 和 FPGA 所需的非常高电流水平下满足瞬态要求？为了考虑这个问题，让我们看一下SoC的20 V输入至1 V/15 A输出。
15 A 从 20 V 输入
图1显示了适用于SoC和CPU电源应用的1 MHz、1.0 V、15 A架构，其输入典型值为12 V或5 V，可在3.1 V至20 V范围内变化。只需输入和输出电容器、一个电感器以及几个小电阻器和电容器即可完成电源。可以轻松修改该电路，以产生低至0.6 V的其他输出电压，例如1.8 V、1.1 V和0.85 V。输出轨的负回路（V– 引脚）可实现对靠近负载的输出电压进行远程反馈检测，从而最大限度地减少由电路板走线压降引起的反馈误差。
图1所示的方法使用具有高性能集成MOSFET的稳压器。该特定稳压器是一款LTC7151S单片式降压稳压器，它采用静音开关 2 架构来简化 EMI 滤波器设计。采用 28 引脚、耐热性能增强型 4 mm × 5 mm × 0.74 mm LQFN 封装。通过谷值电流模式进行控制，降低了输出电容要求。内置保护功能，以最大限度地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），能够以非常高的频率直接降压至内核电压。热管理功能可在输入电压高达 20 V 的情况下实现高达 15 A 的可靠和连续传输电流，无需散热器或气流，使其成为电信、工业、运输和汽车应用中 SOC、FPGA、DSP、GPU 和微处理器的热门选择。该稳压器具有宽输入范围，可用作第一级中间转换器，在5 V或3.3 V时支持高达15 A的电流，支持多个下游负载点或LDO稳压器。
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。
以最小的输出电容满足严格的瞬态规格
通常，输出电容会进行缩放，以满足环路稳定性和负载瞬态响应的要求。对于为处理器内核电压提供服务的电源，这些规格尤其严格，在这些电源中，负载瞬态过冲和下冲必须得到很好的控制。例如，在负载阶跃期间，输出电容必须步进，瞬时提供电流以支持负载，直到反馈环路使开关电流足以接管。通常，通过在输出侧安装大量多层陶瓷电容器来抑制过冲和下冲，从而满足快速负载瞬变期间的电荷存储要求。
此外，将开关频率推高可以改善快速环路响应，但代价是开关损耗增加。
还有第三种选择：具有谷值电流模式控制的稳压器可以动态改变稳压器的开关TON和TOOFF时间，几乎可以瞬间满足负载瞬变的需求。这样可以显著降低输出电容，以满足快速响应时间。图2显示了LTC7151S静音开关稳压器以8 A/μs压摆率立即响应4 A至12 A负载阶跃的结果。LTC7151S的受控导通时间（COT）谷值电流模式架构允许开关节点脉冲在4 A至12 A负载阶跃转换期间压缩。上升沿开始后约1 μs，输出电压开始恢复，过冲和下冲峰峰值限制为46 mV。图2a所示的三个100 μF陶瓷电容足以满足典型的瞬态规格，如图2b所示。图2c显示了负载阶跃期间的典型开关波形。
图2.（a） 此 5 V 输入至 1 V 输出应用以 2 MHz 运行，输出端需要最小电容，以便快速、干净地响应 （b） 负载阶跃以及 （c） 负载阶跃期间的开关波形。
3 MHz 时的高效率降压适合狭小空间
使用高集成度稳压器可使 MOSFET、驱动器和热回路电容器保持紧密连接。这减少了寄生效应，并允许以非常窄的死区时间快速打开/关闭开关。开关反并联二极管的导通损耗大大降低。集成的热回路去耦电容和内置补偿电路也消除了设计复杂性，从而最大限度地减小了解决方案的总尺寸。
如前所述，顶部开关的最小值为20 ns（典型值），允许在高频下进行非常低的占空比转换，使设计人员能够利用超高频工作（如3 MHz）来减小电感、输入电容和输出电容的尺寸和值。极其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中的便携式设备或仪器。使用 LTC7151S 时，不需要庞大的热缓解组件，例如风扇和散热器，这得益于其高性能电源转换，即使在非常高的频率下也是如此。
图3所示为5 V至1 V解决方案，工作在3 MHz开关频率。伊顿的小尺寸 100 nH 电感器与三个 100 μF/1210 陶瓷电容器相结合，为 FPGA 和微处理器应用提供了超薄的紧凑型解决方案。效率曲线如图3b所示。室温下满载时温升约15°C。
图3.5 V 输入至 1 V/15 A 的原理图和效率，f西 南部= 3 兆赫。
提高电磁干扰性能
满足已发布的EMI规范，例如CISPR 22/CISPR 32传导和辐射EMI峰值限值，应用15 A可能意味着许多迭代电路板旋转，涉及解决方案尺寸、总效率、可靠性和复杂性的众多权衡。传统方法通过减慢开关边沿和/或降低开关频率来控制EMI。两者都有不良影响，例如效率降低、最小开关时间增加以及解决方案尺寸增大。暴力EMI抑制，如复杂而笨重的EMI滤波器或金属屏蔽，大大增加了所需的电路板空间、元件和组装成本，同时使热管理和测试复杂化。
EMI可以通过多种方式降低，包括集成热回路电容器，以最大限度地减少噪声天线尺寸。LTC7151S 通过集成高性能 MOSFET 和驱动器来保持低 EMI，从而使 IC 设计人员能够生产出具有内置最小开关节点振铃的器件。结果是，即使开关边沿具有高压摆率，存储在热回路中的相关能量也受到高度控制，从而实现出色的EMI性能，同时最大限度地降低高工作频率下的交流开关损耗。
LTC7151S 已在 EMI 测试室中进行了测试，并通过了 CISPR 22 / CISPR 32 传导和辐射 EMI 峰值限制，前面有一个简单的 EMI 滤波器。图4显示了1 MHz、1.2 V/15 A电路的原理图，图5显示了千兆赫兹横向电磁（GTEM）电池的辐射EMI CISPR 22测试结果。
图4.开关频率为1 MHz的1.2 V稳压器原理图。
图5.GTEM 中的辐射 EMI 超过 CISPR 22 B 类限制。
智能电子、自动化和传感器在工业和汽车环境中的激增推动了电源所需的数量和性能要求。特别是低EMI，作为关键的电源参数考虑因素，以及对小解决方案尺寸、高效率、热能力、鲁棒性和易用性的通常要求，已经越来越受到重视。借助集成稳压器，开发人员可以在非常紧凑的环境中满足严格的EMI要求。通过谷值电流模式控制和高频操作，稳压器可以动态改变TON和TOOFF时间，以近乎瞬时主动支持负载瞬变，从而实现更小的输出电容和快速响应。最后，集成的 MOSFET 和热管理可在高达 20 V 的输入范围内连续稳定可靠地提供高达 15 A 的电流。
