降低陶瓷电容器的电源要求

随着汽车、工业、数据中心和电信行业使用的电源数量的增加，多层陶瓷电容器 (MLCC) 的价格在过去几年中急剧上涨。陶瓷电容器用于电源的输出端，以降低输出纹波，并控制由于高转换速率负载瞬变而导致的输出电压过冲和下冲。输入侧需要陶瓷电容器用于去耦和过滤 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，越来越多的高耗电设备被挤入微处理器、CPU、片上系统 (SoC)、ASIC 和 FPGA 中。这些复杂器件类型中的每一种都需要多个稳压电压轨：通常，内核为 0.8 V，DDR3 和 LPDDR4 分别为 1.2 V 和 1.1 V，以及外围和辅助组件为 5 V、3.3 V 和 1.8 V。降压转换器广泛用于从电池或直流总线产生稳压电源。

例如，汽车中驾驶辅助系统 (ADAS) 的普及极大地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，陶瓷电容器的使用量也将显着增加。电源电流已从几安培增加到数十安培，并且对电源纹波、负载瞬态过冲/下冲以及电磁干扰 (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，传统的供电方式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提供负载瞬变产生的大量电流。输出陶瓷电容的总成本可达电源IC的数倍。

较高的电源工作（开关）频率可以减少瞬态对输出电压的影响，并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满足微处理器、CPU、SoC、ASIC 和 FPGA 在极高电流水平下的瞬态要求？

Analog Devices 的 Power by Linear? 单片 Silent Switcher 2 降压稳压器系列可实现紧凑的解决方案尺寸、高电流能力、高效率，以及更重要的是卓越的 EMI 性能。LTC7151S 单片降压稳压器采用 Silent Switcher 2 架构来简化 EMI 滤波器设计。谷值电流模式降低了输出电容要求。让我们看看 SoC 的 20 V 输入至 1 V、15 A 输出解决方案。

SoC 的 20 V 输入的 15 A 解决方案 图 1 显示了适用于 SoC 和 CPU 电源应用的 1 MHz、1.0 V、15 A 解决方案，其中输入通常为 12 V 或 5 V，变化范围为 3.1 V 至 20 V。输入和输出电容器、电感器以及几个小电阻器和电容器是完成电源所必需的。该电路可以轻松修改以产生其他输出电压，例如 1.8V、1.1V 和 0.85V，低至 0.6V。输出轨的负返回（至 V– 引脚）可实现输出的远程反馈感测电压接近负载，限度地减少由板迹线电压降引起的反馈误差。

图 1 中的解决方案采用 LTC7151S Silent Switcher 2 稳压器，该稳压器采用采用 28 引线、耐热增强型 4 mm × 5 mm × 0.74 mm LQFN 封装的高性能集成 MOSFET。通过谷值电流模式进行控制。内置保护功能，限度地减少外部保护元件的数量。

顶部开关的短导通时间仅为 20 ns（典型值），从而能够以非常高的频率直接降压至电压。热管理功能可在高达 20 V 的输入电压下可靠、连续地提供高达 15 A 的电流，无需散热器或气流，使其成为电信、工业、交通和汽车领域 SOC、FPGA、DSP、GPU 和微处理器的热门选择应用程序。

LTC7151S 的宽输入范围使其能够用作级中间转换器，在 5V 或 3.3V 电压下支持高达 15A 的电流至多个下游负载点或 LDO 稳压器。

使用的输出电容器满足严格的瞬态规范 通常，会调整输出电容器以满足环路稳定性和负载瞬态响应的要求。这些规格对于为处理器电压提供服务的电源尤其严格，必须很好地控制负载瞬态过冲和下冲。例如，在负载阶跃期间，输出电容器必须介入，立即提供电流来支持负载，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态期间的电荷存储要求。

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。

图 2：(a) 该 5 V 输入至 1 V 输出应用以 2 MHz 运行，需要的输出电容，以便快速、清晰地对 (b) 负载阶跃做出反应，以及

另外或替代地，提高开关频率可以提高快速环路响应，但代价是增加开关损耗。

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 TOFF 时间，几乎可以立即满足负载瞬态的要求。这可以显着降低输出电容以满足快速响应时间。图 2 显示了 LTC7151S Silent Switcher 稳压器以 8 A/μs 压摆率立即响应从 4 A 到 12 A 的负载阶跃的结果。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，过冲和下冲限制在 46 mV 峰峰值。图 2a 中所示的三个 100 μF 陶瓷电容器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 3：fSW = 3 MHz 时 5 V 输入至 1 V/15 A 的原理图和效率。

图 4：开关频率为 1 MHz 的 1.2 V 稳压器原理图。

3 MHz 时的高效率降压适合狭小的空间 LTC7151S 的 4 mm × 5 mm × 0.74 mm 封装中集成了 MOSFET、驱动器和热环路电容器。通过保持这些组件靠近，可以减少寄生效应，从而可以以非常窄的死区时间快速打开/关闭开关。开关管反并联二极管的导通损耗大大降低。集成热环路去耦电容器和内置补偿电路还消除了设计复杂性，限度地减小了总解决方案尺寸。

图 3 显示了以 3 MHz 开关频率运行的 5 V 至 1 V 解决方案。Eaton 的小尺寸 100 nH 电感器与三个 100 μF/1210 陶瓷电容器一起为 FPGA 和微处理器应用提供了外形非常薄的紧凑型解决方案。效率曲线如图3b所示。满载时室温温升约15℃。

Silent Switcher 2 技术带来出色的 EMI 性能 15 A 应用符合已发布的 EMI 规范（例如 CISPR 22/CISPR 32 传导和辐射 EMI 峰值限制）可能意味着需要多次迭代电路板，涉及解决方案尺寸的大量权衡、总效率、可靠性和复杂性。传统方法通过减慢开关边沿和/或降低开关频率来控制 EMI。两者都会产生不良影响，例如效率降低、短开关时间增加以及解决方案尺寸增大。强力 EMI 缓解（例如复杂且笨重的 EMI 滤波器或金属屏蔽）会显着增加所需电路板空间、元件和装配的成本，同时使热管理和测试变得复杂。

图 5：GTEM 中的辐射 EMI 通过了 CISPR 22 B 类限制。

Analog Devices 专有的 Silent Switcher 2 架构采用了多种 EMI 降低技术，包括集成热环路电容器，以限度地减小噪声天线尺寸。LTC7151S 通过集成高性能 MOSFET 和驱动器来保持较低的 EMI，这使得 IC 设计人员能够生产出具有化内置开关节点振铃的器件。其结果是，即使开关沿具有高转换速率，存储在热环路中的相关能量也能得到高度控制，从而实现卓越的 EMI 性能，同时限度地减少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，并且前面有一个简单的 EMI 滤波器。图 4 显示了 1 MHz、1.2 V/15 A 电路的原理图，图 5 显示了千兆赫横向电磁 (GTEM) 单元中的辐射 EMI CISPR 22 测试结果。