【導讀】家庭自動化、活動監(jiān)視器、遠程傳感器節(jié)點和胎壓監(jiān)視器等應用使用小型電池運行，需要較長的運行時間。對無線磁性窗口報警傳感器系統(tǒng)的討論說明了在小型紐扣電池上獲得長時間運行的挑戰(zhàn)。該設計解決方案表明，集成微控制器和閃存的高性能四頻多通道收發(fā)器有助于最大限度地延長遠程無線傳感器的電池運行時間。
數(shù)據(jù)處理 IC（如現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA）、片上系統(tǒng) （SoC） 和微處理器）在電信、網絡、工業(yè)、汽車、航空電子和國防系統(tǒng)中的應用范圍不斷擴大。這些系統(tǒng)的一個共同點是不斷提高處理能力，從而導致原始功率需求的相應增加。設計人員非常了解高功率處理器的熱管理問題，但可能不會考慮電源的熱管理問題。與晶體管封裝的處理器本身不同，當?shù)蛢群穗妷盒枰唠娏鲿r，最壞情況下的熱問題是不可避免的，這是所有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)電源的總體趨勢。
DC-DC 轉換器要求概述：EMI、轉換比、尺寸和熱考慮因素
通常，F(xiàn)PGA/SoC/微處理器需要多個電源軌，包括用于外設和輔助電源的5 V、3.3 V和1.8 V，用于DDR4和LPDDR4的1.2 V和1.1 V，以及用于處理內核的0.8 V。產生這些電源軌的DC-DC轉換器通常從電池或中間直流總線獲取12 V或5 V輸入。為了將這些源直流電壓降壓到處理器所需的低得多的電壓，自然會選擇開關模式降壓轉換器，因為它們在大降壓比下具有高效率。開關模式轉換器有數(shù)百種類型，但許多可分為控制器（外部MOSFET）或單片式穩(wěn)壓器（內部MOSFET）。我們先來看前者。
傳統(tǒng)的控制器解決方案可能不符合要求
傳統(tǒng)的開關模式控制器IC驅動外部MOSFET，并具有外部反饋控制環(huán)路補償組件。由此產生的轉換器可以非常高效和通用，同時提供高功率，但所需的分立元件數(shù)量使設計相對復雜且難以優(yōu)化。外部開關也會限制開關速度，這在空間非常寶貴時是一個問題，例如在汽車或航空電子環(huán)境中，因為較低的開關頻率會導致整個組件尺寸更大。另一方面，單片式穩(wěn)壓器可以大大簡化設計。本文深入介紹單片解決方案，從“減小尺寸同時改善EMI”部分開始。
不要忽視最短開機和關斷時間
另一個重要的考慮因素是轉換器的最小導通和關斷時間，或者說它在足以從輸入到輸出降壓的占空比下工作的能力。降壓比越大，所需的最小導通時間越低（也取決于頻率）。同樣，最小關斷時間對應于壓差：在不再支持輸出之前，輸入可以達到多低。雖然提高開關頻率的好處是整體解決方案更小，但最小導通和關斷時間決定了工作頻率的上限?？傊?，這些值越低，您在設計小尺寸和高功率密度方面的回旋余地就越大。
關注實際 EMI 性能
卓越的EMI性能對于與其他噪聲敏感器件的安全操作也是必需的。在工業(yè)、電信或汽車應用中，最大限度地降低EMI可能是電源設計的重要優(yōu)先事項。為了使復雜的電子系統(tǒng)能夠協(xié)同工作，而不會因重疊的EMI而出現(xiàn)問題，采用了嚴格的EMI標準，例如CISPR 25和CISPR 32輻射EMI規(guī)范。為了滿足這些要求，傳統(tǒng)的電源方法通過減慢開關邊沿和降低開關頻率來降低EMI，前者導致效率降低和散熱增加，后者導致功率密度降低。
降低開關頻率還可能違反CISPR 25標準中530 kHz至1.8 MHz AM頻段EMI要求?？梢圆捎脵C械抑制技術來降低噪聲水平，包括復雜、笨重的EMI濾波器或金屬屏蔽，但這些技術大大增加了成本和電路板空間、元件數(shù)量和裝配復雜性，同時使熱管理和測試進一步復雜化。這些策略都不能滿足緊湊尺寸、高效率和低EMI的要求。
減小尺寸，同時提高 EMI 和熱性能以及效率
很明顯，電源系統(tǒng)設計已經達到了一個復雜的地步，給系統(tǒng)設計人員帶來了沉重的負擔。為了減輕一些負擔，一個好的策略是尋找能夠同時解決許多問題的電源IC解決方案：降低電路板的復雜性，高效率運行，最大限度地減少散熱，并產生低EMI。可支持多個輸出通道的電源IC進一步簡化了設計和生產。
單片式電源IC將開關集成到封裝中，可以實現(xiàn)其中的許多目標。例如，圖1顯示了一個完整的雙輸出解決方案板，說明了單芯片穩(wěn)壓器的緊湊簡單性。此處使用的IC中的集成MOSFET和內置補償電路只需要幾個外部元件。該解決方案的總內核尺寸僅為22 mm×18 mm，部分原因是相對較高的2 MHz開關頻率。
圖1.緊湊、高開關頻率、高效率的解決方案，具有出色的 EMI 性能。
該板的原理圖如圖2所示。在該解決方案中，轉換器以2 MHz運行，使用LT8652S的兩個通道在8.5 A時產生3.3 V電壓，在8.5 A時產生1.2 V電壓?？梢暂p松修改該電路，以產生包括3.3 V和1.8 V、3.3 V和1 V等在內的輸出組合?；蛘?，為了利用LT8652S的寬輸入范圍，LT8652S可用作繼12 V、5 V或3.3 V前置穩(wěn)壓器之后的第二級轉換器，以提高總效率和功率密度性能。LT8652S具有高效率和出色的熱管理功能，可同時為每個通道提供8.5 A電流，為并行輸出提供17 A電流，為單通道操作提供高達12 A電流。憑借 3 V 至 18 V 輸入范圍，它可以覆蓋 FPGA/SoC/微處理器應用所需的大多數(shù)輸入電壓組合。
圖2.雙輸出、2 MHz、3.3 V/8.5 A和1.2 V/8.5 A應用，采用LT8652S的兩個通道。
雙輸出、單芯片穩(wěn)壓器的性能
圖3顯示了圖1中解決方案的實測效率。對于單通道工作，該解決方案在3.3 V電源軌上實現(xiàn)了94%的峰值效率，在12 V輸入電壓下實現(xiàn)了87%的峰值效率（1.2 V電源軌）。對于雙通道操作，LT8652S在12 V輸入時具有90%的峰值效率，在8.5 A負載電流下每個通道具有86%的滿載效率。由于關斷時間跳躍功能，LT8652S具有接近100%的擴展占空比，以最低的輸入電壓范圍調節(jié)輸出電壓。20 ns（典型值）的最小導通時間甚至可以在高開關頻率下工作，直接從12 V電池或直流總線產生小于1 V的輸出，從而減小整體解決方案尺寸和成本，同時避免AM頻段。集成旁路電容器的靜音切換器 2 技術可防止可能出現(xiàn)的布局或生產問題，從而影響卓越的臺式 EMI 和效率性能。?
圖3.單路和雙路輸出的效率，開關頻率為2 MHz。
用于大電流負載的差分電壓檢測
對于高電流應用，每線性英寸的PCB走線都會產生顯著的壓降。對于現(xiàn)代核心電路中典型的低電壓、高電流負載，需要非常緊湊的電壓范圍，電壓降會導致嚴重的問題。LT8652S具有差分輸出電壓檢測功能，允許客戶建立開爾文連接，用于直接從輸出電容器進行輸出電壓檢測和反饋。它可以校正高達±300 mV的輸出接地線電位。圖 4 顯示了利用差分檢測功能的兩個通道的 LT8652S 負載調整率。
圖4.LT8652S負載調節(jié)，具有差分檢測功能。
監(jiān)視輸出電流
在某些大電流應用中，必須收集輸出電流信息以進行遙測和診斷。此外，根據(jù)工作溫度限制最大輸出電流或降低輸出電流可以防止損壞負載。因此，恒壓、恒流操作需要精確調節(jié)輸出電流。LT8652S 使用 IMON 引腳來監(jiān)視和減小流向負載的有效調節(jié)電流。
當IMON對負載的調節(jié)電流進行編程時，IMON可以配置為根據(jù)IMON和GND之間的電阻來降低該調節(jié)電流。負載/電路板溫度降額使用正溫度系數(shù)熱敏電阻進行編程。當電路板/負載溫度升高時，IMON電壓上升。為了降低調節(jié)電流，將IMON電壓與內部1 V基準電壓進行比較，以調整占空比。IMON電壓可以低于1 V，但這樣就沒有影響了。圖5顯示了激活IMON電流環(huán)路前后的輸出電壓與負載電流的關系曲線。
圖5.LT8652S輸出電壓與電流曲線的關系
低電磁干擾
為了使復雜的電子系統(tǒng)正常工作，對單個組件解決方案應用了嚴格的EMI標準。為了在多個行業(yè)中保持一致，標準已被廣泛采用，例如用于工業(yè)的CISPR 32和用于汽車的CISPR 25。為實現(xiàn)卓越的 EMI 性能，LT8652S 采用領先的靜音開關穩(wěn)壓器 2 技術，采用 EMI 消除設計和集成熱回路電容，可最大限度地減小噪聲天線尺寸。結合集成的 MOSFET 和小解決方案尺寸，LT8652S 解決方案可提供出色的 EMI 性能。圖6顯示了圖1所示LT8652S標準演示板的EMI測試結果。圖6a顯示了帶峰值檢波器的CISPR 25輻射EMI，圖6b顯示了CISPR 32輻射EMI結果。
圖6.圖1應用電路的輻射EMI測試結果。V在= 14 V， V輸出1= 3.3 V/8.5 A， V輸出2= 1.2 V/8.5 A。
并聯(lián)操作，可實現(xiàn)更高的電流和更好的熱性能
隨著數(shù)據(jù)處理速度的飆升和數(shù)據(jù)量的成倍增加，F(xiàn)PGA 和 SoC 的功能不斷擴展以滿足這些需求。電源需要電源，電源應保持功率密度和性能。盡管如此，在追求更高的功率密度時，不應失去簡單性和魯棒性的優(yōu)點。對于需要超過17 A電流能力的處理器系統(tǒng)，多個LT8652S可以并聯(lián)，相互異相運行。
圖7顯示了兩個并聯(lián)的轉換器，在1 V時提供34 A輸出電流。通過將 U1 的 CLKOUT 綁定到 U2 的 SYNC，將來自主單元的時鐘同步到從設備。由此產生的每通道90°相位差可降低輸入電流紋波，并將熱負載分散到電路板上。
圖7.適用于 SoC 應用的 4 相、1 V/34 A、2 MHz 解決方案。
為了確保在穩(wěn)態(tài)和啟動期間更好的均流，VC、FB、SNSGND 和 SS 連接在一起。建議使用開爾文連接以獲得準確的反饋和抗噪性。在底層接地引腳附近放置盡可能多的熱通孔，以提高熱性能。輸入熱回路的陶瓷電容應靠近VIN引腳放置。
汽車 SoC 施加的負載瞬態(tài)要求可能難以滿足，因為駕駛條件可能會急劇、頻繁和快速地變化，而 SoC 必須無延遲地適應快速變化的負載。外設電源的負載電流壓擺率為100 A/μs，內核電源的負載電流壓擺率甚至更高，這種情況并不少見。然而，在快速負載電流轉換速率下，電源輸出端的電壓瞬變必須最小化?？焖匍_關頻率 >2 MHz 可實現(xiàn)快速瞬態(tài)恢復，輸出電壓偏移最小。圖7顯示了利用快速開關頻率和穩(wěn)定動態(tài)環(huán)路響應的適當環(huán)路補償元件值。在電路板布局中，最小化從電路輸出電容到負載的走線電感也很重要。
圖8.圖7電路的負載瞬態(tài)響應
結論
FPGA、SoC 和微處理器的處理能力不斷提高，導致原始功耗要求相應增加。隨著所需電源軌的數(shù)量及其承載能力的增加，必須快速考慮電源系統(tǒng)的設計和性能。LT8652S是一款電流模式、8.5 A、18 V同步靜音開關2降壓穩(wěn)壓器，采用3 V至18 V輸入電壓范圍工作，適合輸入源范圍從單節(jié)鋰離子電池到汽車輸入的應用。
LT8652S的工作頻率范圍為300 kHz至3 MHz，使設計人員能夠最大限度地減小外部元件尺寸，并避開AM無線電等關鍵頻段。靜音開關穩(wěn)壓器 2 技術保證了出色的 EMI 性能，而不會犧牲開關頻率和功率密度，也不會犧牲開關速度和效率。Silent Switcher 2 技術還將所有必要的旁路電容器集成到封裝中，從而最大限度地減少布局或生產引起的 EMI 意外的可能性，從而簡化設計和制造。
突發(fā)模式操作可將靜態(tài)電流降至僅 16 μA，同時保持較低的輸出電壓紋波。4 mm × 7 mm LQFN 封裝和極少的外部元件相結合，可確保非常緊湊的占位面積，同時最大限度地降低解決方案成本。LT8652S的24 mΩ/8 mΩ開關可提供超過90%的效率，而可編程欠壓鎖定（UVLO）則優(yōu)化了系統(tǒng)性能。輸出電壓的遠程差分檢測可在整個負載范圍內保持高精度，同時不受走線阻抗的影響，從而最大限度地減少外部變化導致負載損壞的可能性。其他特性包括內部/外部補償、軟啟動、頻率折返和熱關斷保護。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯(lián)系小編進行處理。
推薦閱讀：
