【導讀】現場可編程門陣列(FPGA)、片上係統(SoC)和微處理器等數據處理IC不斷擴大在電信、網絡、工業
、汽車
、航hang空kong電dian子zi和he國guo防fang係xi統tong領ling域yu的de應ying用yong。這zhe些xie係xi統tong的de一yi個ge共gong同tong點dian是shi處chu理li能neng力li不bu斷duan提ti高gao
，導dao致zhi原yuan始shi功gong率lv需xu求qiu相xiang應ying增zeng加jia。設she計ji人ren員yuan很hen清qing楚chu高gao功gong率lv處chu理li器qi的de熱re管guan理li問wen題ti
，但dan可ke能neng不bu會hui考kao慮lv電dian源yuan的de熱re管guan理li問wen題ti。與yu晶jing體ti管guan封feng裝zhuang處chu理li器qi本ben身shen類lei似si
，當dang低di內nei核he電dian壓ya需xu要yao高gao電dian流liu時shi，熱re問wen題ti在zai最zui差cha情qing況kuang下xia不bu可ke避bi免mian——這是所有數據處理係統的總體電源趨勢。

DC-DC轉換器需求概述：EMI、轉換比率、大小和散熱考慮

通常，FPGA/SoC/微處理器需要多個電源軌，包括用於外圍和輔助電源的5 V、3.3 V和1.8 V
，用於DDR4和LPDDR4的1.2 V和1.1 V
，以及用於處理核心的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母線獲取12 V或5 V輸shu入ru電dian壓ya。為wei了le將jiang這zhe些xie電dian源yuan直zhi流liu電dian壓ya降jiang至zhi處chu理li器qi所suo需xu的de更geng低di的de電dian壓ya，自zi然ran會hui選xuan用yong開kai關guan模mo式shi降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi，因yin為wei它ta們men在zai大da降jiang壓ya比bi時shi效xiao率lv高gao。開kai關guan模mo式shi轉zhuan換huan器qi有you數shu百bai種zhong類lei型xing，但dan很hen多duo都dou可ke分fen為wei控kong製zhi器qi（外部MOSFET）或單片穩壓器（內部MOSFET）。我們先來看看前者。

傳統控製器解決方案可能不符合要求

傳統開關模式控製器IC驅動外部MOSFET，juyouwaibufankuikongzhihuanlubuchangyuanjian。youcichanshengdezhuanhuanqixiaolvhengaoqiegongnengduoyang，tongshitigonggaogonglv，dansuoxudefenliyuanjiandeshuliangshideshejixiangduifuzaqienanyiyouhua。waibukaiguanyehuixianzhikaiguansudu，zaikongjianbaoguideqingkuangxiazheshiyigewenti
，biruzaiqichehuohangkongdianzishebeihuanjingzhong
，yinweijiaodidekaiguanpinlvhuidaozhizhenggeyuanjiantijigengda。

另一方麵，單片穩壓器則可以極大地簡化設計。本文深入討論整體解決方案，首先介紹"減小尺寸，同時改善EMI"部分。

不要忽視最小導通和關斷時間

另(ling)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)考(kao)慮(lv)因(yin)素(su)是(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)最(zui)小(xiao)導(dao)通(tong)和(he)關(guan)斷(duan)時(shi)間(jian)，或(huo)其(qi)在(zai)足(zu)以(yi)從(cong)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)降(jiang)至(zhi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)占(zhan)空(kong)比(bi)下(xia)運(yun)行(xing)的(de)能(neng)力(li)。降(jiang)壓(ya)比(bi)越(yue)大(da)，所(suo)需(xu)最(zui)小(xiao)導(dao)通(tong)時(shi)間(jian)越(yue)低(di)（也取決於頻率）。同樣地，最小關斷時間對應於壓差：zaishuchudianyabuzaishouzhichizhiqianshurudianyanengjiangdaoduodi。suiranzengjiakaiguanpinlvdehaochushizhengtijiejuefangangengxiao，danzuixiaodaotongheguanduanshijianhuishezhigongzuopinlvdeshangxian。zongzhi
，zhexiezhiyuedi，zaishejixiaochicunhegaogonglvmidushijiuyouyueduodeyudi。

注意真實的EMI性能

其他噪聲敏感器件要安全運行，還需要具備出色的EMI性能。在工業
、電信或汽車應用中
，電源設計的一個重點是較大限度地減少EMI。為了使複雜的電子係統能夠協同工作，不因EMI重疊而產生問題，采用了嚴格的EMI標準，如CISPR 25和CISPR 32輻射EMI規範。為了滿足這些要求，傳統電源方法通過減慢開關邊緣和降低開關頻率來減少EMI——前者降低了效率，提高了散熱，而後者降低了功率密度。

降低的開關頻率還可能違背CISPR 25標準中的530 kHz至1.8 MHz AM頻段EMI要求。可以采用機械減緩技術來降低噪聲水平，包括複雜、大尺寸的EMI濾波器或金屬屏蔽
，但這些技術不但增加了大量成本，而且使電路板空間、元件數量和裝配複雜性增加
，並進一步使熱管理和測試複雜化。這些策略都不能滿足小尺寸、高效率和低EMI的要求。

減小尺寸，同時改善EMI、熱性能和效率

很(hen)明(ming)顯(xian)
，電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)已(yi)變(bian)得(de)十(shi)分(fen)複(fu)雜(za)，這(zhe)給(gei)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)帶(dai)來(lai)了(le)沉(chen)重(zhong)的(de)負(fu)擔(dan)。為(wei)了(le)減(jian)輕(qing)這(zhe)種(zhong)負(fu)擔(dan)
，一(yi)個(ge)好(hao)的(de)策(ce)略(lve)是(shi)尋(xun)找(zhao)具(ju)有(you)同(tong)時(shi)解(jie)決(jue)許(xu)多(duo)問(wen)題(ti)功(gong)能(neng)的(de)電(dian)源(yuan)IC解決方案：降低電路板的複雜性
，高效率地工作，較大限度地減少散熱
，並產生低EMI。可支持多個輸出通道的功率IC可進一步簡化設計和生產。

開關集成在封裝中的單片電源IC可實現其中多個目標。例如，圖1所示為完整的雙路輸出解決方案板，說明了單片穩壓器的緊湊簡單。此處使用的IC中的集成MOSFET和內置補償電路隻需要幾個外部元件。此解決方案的總核心尺寸僅為22 mm × 18 mm，部分通過相對較高的2 MHz開關頻率實現。

圖1. 具有出色EMI性能的緊湊型、高開關頻率
、高效率解決方案。

此電路板的原理圖如圖2所示。在此解決方案中，轉換器使用 LT8652S的兩個通道
，在2 MHz的頻率下運行

，並在8.5 A下產生3.3 V電壓，在8.5 A下產生1.2 V電壓。可輕鬆修改此電路以產生包括3.3 V和1.8 V
、3.3 V和1 V等在內的輸出組合。或者，為了利用LT8652S的寬輸入範圍，LT8652S可用作二級轉換器
，再使用12 V


、5 V或3.3 V前置穩壓器，以提高總效率和功率密度性能。由於高效率和出色的熱管理
，LT8652S可同時為每個通道提供8.5 A，17 A用於並行輸出，高達12 A用於單通道操作。借助3 V至18 V輸入範圍，該器件可覆蓋FPGA/SoC/微處理器應用的大多數輸入電壓組合。

圖2. 使用LT8652S的兩個通道的雙路輸出
、2 MHz
、3.3 V/8.5 A和1.2 V/8.5 A應用。

雙路輸出、單片穩壓器的性能

圖3顯示了圖1所示解決方案的測量效率。對於單通道操作，使用該解決方案，在輸入電壓為12 V時，3.3 V電源軌的峰值效率達到94%
，1.2 V電源軌的峰值效率達到87%。對於雙通道操作，LT8652S在12 V輸入電壓時每個通道達到90%的峰值效率，在8.5 A負載電流時每個通道達到86%的全負載效率。

由於關斷時間跳過功能，LT8652S的延長占空比接近100%
，使用最低輸入電壓範圍調節輸出電壓。20 ns典型最小導通時間甚至使其可在高開關頻率下操作穩壓器
，直接從12 V電池或直流母線生成小於1 V的輸出電壓——最終減少整體解決方案大小和成本，同時避免了AM頻段。具有集成旁路電容的Silent Switcher® 2技術可防止可能出現的布局或生產問題，從而避免影響出色的台式EMI和效率性能。

圖3. 具有2 MHz開關頻率的單路和雙路輸出效率。

高電流負載的差分電壓檢測

對於高電流應用，每一英寸PCB線路都會導致大幅壓降。對於現代核心電路中需要極窄電壓範圍的典型低電壓
、高電流負載，壓降會導致嚴重的問題。LT8652S提供差分輸出電壓檢測功能
，允許客戶創建開爾文連接，以實現輸出電壓檢測和直接從輸出電容進行反饋。它可以校正最高±300 mV的輸出接地線路電位。圖4顯示LT8652S利用差分檢測功能對兩個通道進行負載調整。

圖4. LT8652S使用差分檢測功能進行負載調整。

監控輸出電流

在(zai)一(yi)些(xie)高(gao)電(dian)流(liu)應(ying)用(yong)中(zhong)，必(bi)須(xu)收(shou)集(ji)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)信(xin)息(xi)來(lai)進(jin)行(xing)遙(yao)測(ce)和(he)診(zhen)斷(duan)。此(ci)外(wai)，根(gen)據(ju)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)限(xian)製(zhi)最(zui)大(da)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)或(huo)降(jiang)低(di)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)可(ke)防(fang)止(zhi)損(sun)壞(huai)負(fu)載(zai)。因(yin)此(ci)，需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)恒(heng)壓(ya)
、恒流操作以精確調節輸出電流。LT8652S使用IMON引腳監控並減少負載的有效調節電流。

當IMON對負載設置調節電流時，可根據IMON和GND之間的電阻來配置IMON以減小此調節電流。負載/電路板溫度降額可使用正溫度係數熱敏電阻來設置。當電路板/負載溫度上升時
，IMON電壓增加。為了減小調節電流，將IMON電壓與內部1 V基準電壓進行比較以調節占空比。IMON電壓可低於1 V
，但這樣就不會產生影響。圖5顯示激活IMON電流環路前後的輸出電壓和負載電流曲線。

圖5. LT8652S輸出電壓和電流曲線。

低電磁輻射(EMI)

為了使複雜的電子係統能夠工作，對單個元件解決方案應用了嚴格的EMI標準。為了在多個行業中保持一致性
，廣泛采用了各種標準，如CISPR 32工業標準和CISPR 25汽車標準。為了獲得出色的EMI性能，LT8652S在EMI消除設計中采用了較領先的Silent Switcher 2技術，並使用集成環路電容以盡量減少有噪天線尺寸。加上集成MOSFET和小尺寸，LT8652S解決方案可提供出色的EMI性能。圖6顯示圖1所示LT8652S標準演示板的EMI測試結果。圖6a顯示峰值檢測器的CISPR 25輻射EMI結果
，圖6b顯示CISPR 32輻射EMI結果。

圖6. 圖1應用電路的輻射EMI測試結果。VIN = 14 V，VOUT1 = 3.3 V/8.5 A，VOUT2 = 1.2 V/8.5 A。

可獲得更大電流和更好熱性能的並聯操作

隨著數據處理速度的飆升和數據量的倍增，為滿足這些需求，FPGA和SoC的(de)能(neng)力(li)也(ye)隨(sui)之(zhi)擴(kuo)展(zhan)。電(dian)源(yuan)需(xu)要(yao)功(gong)率(lv)，且(qie)電(dian)源(yuan)應(ying)保(bao)持(chi)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)和(he)性(xing)能(neng)。然(ran)而(er)，不(bu)能(neng)為(wei)了(le)增(zeng)加(jia)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)而(er)失(shi)去(qu)簡(jian)單(dan)性(xing)和(he)穩(wen)健(jian)性(xing)的(de)優(you)點(dian)。對(dui)於(yu)要(yao)求(qiu)超(chao)過(guo)17 A電流能力的處理器係統
，可將多個LT8652S並聯且錯相運行。

圖7顯示兩個並聯的轉換器可在1 V時提供34 A輸出電流。通過將U1的CLKOUT連接至U2的SYNC
，使主單元時鍾與從單元同步。由此產生的每通道90°相位差減少了輸入電流紋波，並將熱負載擴散到電路板上。

圖7. 適用於SoC應用的4相、1 V/34 A、2 MHz解決方案。

為確保在穩定狀態和啟動期間更好的均流，將VC
、FB、SNSGND和SSlianjiezaiyiqi。jianyishiyongkaierwenlianjieyihuodejingquedefankuihekangzaoxingneng。zaijiediyinjiaofujinjiangjinkenengduoderetongkongfangzhidaodiceng，yigaishanrexingneng。shururehuiludetaocidianrongyingkaojinVIN引腳放置。

由於駕駛條件可能發生劇烈、頻繁和快速變化，SoC必須及時適應快速變化的負載，因此
，汽車SoC施加的負載瞬態要求可能很難滿足。外圍電源的負載電流壓擺率達100 A/μs
，核心電源的壓擺率甚至更高，這是很常見的。然而，在快速負載電流壓擺率下，必須將電源輸出的電壓瞬變最小化。>2 MHz的快速開關頻率可快速恢複瞬變，且輸出電壓偏移最小。圖7xianshiliyongkuaisukaiguanpinlvhewendingdongtaihuanluxiangyingdezhengquedehuanlubuchangyuanjianzhi。zaidianlubanbujuzhong，jiaodaxiandudijianshaodianlushuchudianrongdaofuzaidexianludianganyeshizhiguanzhongyaode。

圖8. 圖7電路的負載瞬態響應。

結論

FPGA、SoC和(he)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)的(de)處(chu)理(li)能(neng)力(li)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)，原(yuan)始(shi)功(gong)率(lv)需(xu)求(qiu)也(ye)相(xiang)應(ying)增(zeng)加(jia)。隨(sui)著(zhe)所(suo)需(xu)功(gong)率(lv)電(dian)軌(gui)數(shu)量(liang)及(ji)其(qi)承(cheng)載(zai)能(neng)力(li)的(de)增(zeng)加(jia)，必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)設(she)計(ji)小(xiao)型(xing)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)，並(bing)加(jia)快(kuai)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)。LT8652S是電流模式

、8.5 A、18 V同步Silent Switcher 2降壓穩壓器，輸入電壓範圍為3 V至18 V，適用於從單節鋰離子電池到汽車輸入的輸入源應用。

LT8652S的工作頻率範圍為300 kHz至3 MHz，使設計人員可盡量減少外部元件尺寸並避免關鍵頻段，如調頻廣播。Silent Switcher 2技術可保證出色的EMI性能
，既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技術還在封裝中集成了所有必要的旁路電容
，可較大限度地減少布局或生產可能引起的意外EMI
，從而簡化了設計和生產。

Burst Mode®（突發工作模式）操作將靜態電流減少到隻有16 μA，同時使輸出電壓紋波保持在低值。4 mm × 7 mm LQFN封裝和極少數外部元件可確保外形緊湊，同時盡量減少解決方案成本。LT8652S的24 mΩ/8 mΩ開關提供超過90%的效率，而可編程欠壓閉鎖(UVLO)keyouhuaxitongxingneng。shuchudianyadeyuanchengchafenjiancezaizhenggefuzaifanweineidoubaochigaojingdu，tongshibushouxianluzukangdeyingxiang，congerjiaodaxiandudijiangdilewaibubianhuazaochengfuzaisunhuaidekenengxing。qitagongnengbaokuoneibu/外部補償、軟啟動、頻率折返和熱關斷保護。

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