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新一代高頻大電流降壓芯片

發(fā)布時間:2023-02-15 來源:矽力杰 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】全球經(jīng)濟正敲打通信和云計算的時代大門,核心部件光模塊及CPU不斷升級,內(nèi)部芯片也不斷更新迭代,這些都將對最前端技術(shù)產(chǎn)生影響。矽力杰推出新一代高頻大電流同步降壓轉(zhuǎn)換器SY72220,為通信及云計算設(shè)備提供更加優(yōu)化的電源管理解決方案。


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* 10MHz 20A 電源方案面積


SY72220


10MHz, 20A同步降壓穩(wěn)壓器


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◆  輸入電壓范圍:2.8V ~ 5.5V

◆  輸出電流:20A

◆  I2C可調(diào)頻率:3MHz/5MHz/10MHz

◆  I2C可調(diào)輸出電壓:0.4V~1.5V

◆  多次可編程存儲(MTP Memory)

◆  集成 2m? NMOS 同步整流器

◆  精確 ±1% 內(nèi)部電壓基準(zhǔn)

◆  超快線路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

◆  內(nèi)置差分電路采樣輸出電壓

◆  內(nèi)置軟啟動

◆  平滑預(yù)偏置啟動

◆  具有遲滯功能的熱警示和熱關(guān)斷保護

◆  集成UVLO/UVP/SCP/OCP

◆  緊湊型封裝:QFN3×4-16


方案簡介


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* SY72220典型應(yīng)用圖


SY72220是一款高頻同步降壓轉(zhuǎn)換器,最大提供20A的連續(xù)輸出電流。其輸出電壓從0.4V到1.5V在線可調(diào)。


SY72220可在2.8V到5.5V的輸入電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定高效工作,適合各種低電壓系統(tǒng)。SY72220控制環(huán)路具有高增益帶寬誤差放大器,實現(xiàn)了快速的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng),動態(tài)響應(yīng)的延時不超過50ns。其工作頻率可通過I2C配置為3MHz、5MHz或10MHz。


SY72220具有輸入和輸出過壓保護(OVP),輸出欠壓保護(UVP)和短路保護(SCP),以及逐周期過流保護(OCP),提高了系統(tǒng)可靠性。EN使能引腳和集成的UVLO對降壓轉(zhuǎn)換器的打開進行嚴(yán)格的控制。平滑的預(yù)偏置啟動最大程度上限制了啟動浪涌電流。


SY72220的超高開關(guān)頻率使其可采用極小尺寸的電感和電容,滿足對輸出紋波等性能參數(shù)的設(shè)計要求,極大縮減了PCB布局的空間,為終端設(shè)備提供了更為緊湊的解決方案。


SY72220采用定制的16引腳QFN3*4封裝,該封裝具有大尺寸PGND焊盤焊接至PCB,以獲得極低的結(jié)至板熱阻。


極簡BOM設(shè)計,PCB布局緊湊


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* 10MHz方案 vs 1MHz方案 尺寸對比


智能終端設(shè)備性能不斷提高,設(shè)備的設(shè)計空間也更為寶貴。SY72220采用緊湊型QFN封裝,芯片大小僅為3mm×4mm。SY72220開關(guān)頻率高達10MHz,借由較小的輸出電容和電感,PCB面積僅為1MHz開關(guān)頻率方案的1/4,降低BOM成本,極大程度提升了整體方案的功率密度。


極高環(huán)路帶寬,超快動態(tài)響應(yīng)


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* SY72220典型負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)


SY72220支持超快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng),動態(tài)響應(yīng)的延時不超過50ns。其高環(huán)路帶寬實現(xiàn)了在快速負(fù)載跳變時較小的輸出電壓跌落和過沖,為設(shè)備提供更加穩(wěn)定的電源輸出。


工作頻率范圍寬,轉(zhuǎn)換效率高


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* SY72220典型工作點效率曲線(Vin=3.3V, Vo=1V)


SY72220可通過I2C選擇3MHz、5MHz或10MHz開關(guān)頻率。SY72220通過優(yōu)化內(nèi)部功率管開通關(guān)斷的速度和導(dǎo)通電阻最大程度上降低了高頻率帶來的功率損耗。方案在3MHz的開關(guān)頻率下,峰值效率可達90%以上。


應(yīng)用場景


應(yīng)用示例一


手機等掌上電子設(shè)備內(nèi)部空間有限,隨著CPU運算性能的不斷提升,需要有更高功率密度和超快速負(fù)載跳變響應(yīng)的電源管理解決方案。這是SY72220芯片10MHz工作頻率的典型應(yīng)用場景。


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* 手機內(nèi)部processer圖片


下面根據(jù)一組實際應(yīng)用條件進行輸出電感電容參數(shù)設(shè)計。


Vin=3.6V, Vo=1V, Iomax=16A, load step up: 0.1A-0.5*Iomax/100ns, load step down: 0.5*Iomax -0.1A/100ns, ?Vout(ac)<=±30mV(±3%)。


首先確定電感感值,一般按照電感紋波為滿載輸出電流的20%~40%。


Vo=L*?IL/toff, ?IL=30%*Iomax=4.8A. 


Lthoeory=Vo*toff/?IL≈1*77ns/4.8≈16nH。


則最接近理論計算的可用電感感值為17nH(CLT32-17N)和15nH(HPLE041T-15NNSF)。


其次考慮滿足負(fù)載跳變的交流紋波要求。


◆  當(dāng)從輕載跳重載時,容性負(fù)載電壓的ΔVundershoot由輸出容值,負(fù)載變化速率,環(huán)路響應(yīng)延時,電感感值,輸入和輸入電壓值和最大占空比決定。不考慮響應(yīng)延時,由階躍跳變時刻到輸出電壓最低點時刻的電荷守恒,可得ΔVundershoot表達式:


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* 0A→8A負(fù)載階躍跳變仿真及理論計算


代入?yún)?shù)Vin=3.6V, Vo=1V, ΔIout=8A。


L=15nH, Dmax=ton/(ton+toff_min)=0.46。


當(dāng)要求ΔVundershoot≤30mV, Co需滿足>=24μF。


◆  當(dāng)從重載跳輕載時,容性負(fù)載電壓的ΔVovershoot由輸出容值,電感感值和輸出電壓決定。作同樣假設(shè),并考慮輸出充高時下管可以一直打開,由階躍跳變時刻到輸出電壓最高點時刻的電荷守恒,可得ΔVovershoot表達式:


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* 8A→0A負(fù)載階躍跳變仿真及理論計算


當(dāng)要求ΔVovershoot≤30mV,代入?yún)?shù),Co需滿足>=16μF。


同時滿足輸出電壓ac紋波±30mV的要求,輸出容值應(yīng)不小于24μF。


最后考慮輸出電壓的DC紋波。普通二端子的多層陶瓷電容器(MLCC)的諧振頻率大約在2~3MHz,其等效串聯(lián)寄生電感會在諧振頻率之后驟增,使輸出電壓紋波變大。三端子低ESL多層陶瓷電容器因為內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)于多個電流路徑并聯(lián),大大減小了ESL和ESR等寄生參數(shù)。為了進一步減少輸出電壓紋波,建議采用三端子電容應(yīng)用于5MHz及以上開關(guān)頻率。


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同時考慮輸出電壓的AC和DC紋波要求,輸出容采用6顆三端子電容NFM15PC435R0G3D (4.3μF,4V,0402)并聯(lián)。


由下表可知,10MHz的輸出無源元器件體積不到1MHz的十分之一,大大提高了功率密度。


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* 滿足CPU供電應(yīng)用條件的輸出無源元器件設(shè)計


實測負(fù)載跳變輸出電壓ac紋波≤±30mV。


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*負(fù)載跳變波形


10MHz工作頻率下,全負(fù)載范圍內(nèi)輸出電壓dc紋波≈5mV。


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* 10MHz輸出電壓紋波


芯片工作在半載達到熱平衡時,芯片溫升不超過40℃。


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* 熱成像圖


應(yīng)用示例二


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* 數(shù)據(jù)中心光模塊系統(tǒng)框圖


光模塊系統(tǒng)3.3V電源軌是SY72220芯片3MHz和5MHz工作頻率的一個典型應(yīng)用場景,對于電源芯片主要有高集成化,高效率,低輸出電壓紋波等要求?;赟Y72220芯片的模組可以通過三維框架設(shè)計,集成除輸出電容外的全部無源元器件,更利于光模塊等模塊化系統(tǒng)的電源設(shè)計。


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* 基于SY72220的模組概念圖


同時考慮電感高度和輸出電容的數(shù)量,則滿足一組光模塊應(yīng)用條件的輸出電感電容值如下表:


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* 滿足光模塊系統(tǒng)的不同頻率下的輸出電感電容值


輸出電壓dc紋波在兩個開關(guān)頻率下均滿足≤5mV。


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*3MHz&5MHz輸出電壓紋波測試

(Vin=3.3V, Vo=0.95V, Iout=15A)


3MHz&5MHz的兩個工作頻率下,滿載效率可以達85%以上,芯片溫升不超過50℃。


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*3MHz&5MHz溫升和效率曲線

(Vin=3.3V, Vo=0.95V, TA=27℃)



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