LTC7151S Silent Switcher 2稳压器实现适合SoC的20 V输入至1 V、15 A输出解决方案
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 switcher2 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 switcher2 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
原文转自亚德诺半导体
关于世健
亚太区领先的元器件授权代理商
世健(excelpoint)是完整解决方案的供应商，为亚洲电子厂商包括原设备生产商(oem)、原设计生产商(odm)和电子制造服务提供商(ems)提供优质的元器件、工程设计及供应链管理服务。
世健是新加坡主板上市公司，拥有超过30年历史。世健中国区总部设于香港，目前在中国拥有十多家分公司和办事处，遍及中国主要大中型城市。凭借专业的研发团队、顶尖的现场应用支持以及丰富的市场经验，世健在中国业内享有领先地位。
原文标题：【世说设计】对mlcc的电源要求也太高了，我们得降降！
文章出处：【微信公众号：excelpoint世健】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。
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跨时钟域信号如何处理 跨时钟域电路设计
制造业补短板已迫在眉睫
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基于MIPS32架构的Linux操作系统移植
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基于TMS320C6455系列DSP的中断系统的使用
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01 面向soc的20 v输入、15 a解决方案
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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。
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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
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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
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ltc7151s
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vin范围：3.1v 至 20v
vout范围：0.5v 至 5.5v
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可调频率：400khz 至 3mhz
polyphase运行：高达 12 相
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世健是新加坡主板上市公司，拥有超过30年历史。世健中国区总部设于香港，目前在中国拥有十多家分公司和办事处，遍及中国主要大中型城市。凭借专业的研发团队、顶尖的现场应用支持以及丰富的市场经验，世健在中国业内享有领先地位。
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