隨著汽車、工業(yè)、數(shù)據(jù)中心和電信行業(yè)使用的電源數(shù)量的增加，多層陶瓷電容器 (MLCC) 的價格在過去幾年中急劇上漲。陶瓷電容器用于電源的輸出端，以降低輸出紋波，并控制由于高轉(zhuǎn)換速率負(fù)載瞬變而導(dǎo)致的輸出電壓過沖和下沖。輸入側(cè)需要陶瓷電容器用于去耦和過濾 EMI，因?yàn)樗鼈冊诟哳l下具有低 ESR 和低 ESL。
　　為了提高工業(yè)和汽車系統(tǒng)的性能，需要將數(shù)據(jù)處理速度提高幾個數(shù)量級，越來越多的高耗電設(shè)備被擠入微處理器、CPU、片上系統(tǒng) (SoC)、ASIC 和 FPGA 中。這些復(fù)雜器件類型中的每一種都需要多個穩(wěn)壓電壓軌：通常，內(nèi)核為 0.8 V，DDR3 和 LPDDR4 分別為 1.2 V 和 1.1 V，以及外圍和輔助組件為 5 V、3.3 V 和 1.8 V。降壓轉(zhuǎn)換器廣泛用于從電池或直流總線產(chǎn)生穩(wěn)壓電源。
　　例如，汽車中駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的普及極大地提高了陶瓷電容器的使用率。隨著5G技術(shù)在電信領(lǐng)域的興起，需要高性能電源，陶瓷電容器的使用量也將顯著增加。電源電流已從幾安培增加到數(shù)十安培，并且對電源紋波、負(fù)載瞬態(tài)過沖/下沖以及電磁干擾 (EMI) 的控制非常嚴(yán)格，這些功能需要額外的電容。
　　在許多情況下，傳統(tǒng)的供電方式無法跟上變化的步伐。整體解決方案尺寸太大、效率太低、電路設(shè)計(jì)太復(fù)雜、物料清單 (BOM) 成本太高。例如，為了滿足快速負(fù)載瞬變的嚴(yán)格電壓調(diào)節(jié)規(guī)范，輸出端需要大量陶瓷電容器來存儲和提供負(fù)載瞬變產(chǎn)生的大量電流。輸出陶瓷電容的總成本可達(dá)電源IC的數(shù)倍。

　　較高的電源工作（開關(guān)）頻率可以減少瞬態(tài)對輸出電壓的影響，并降低電容要求和整體解決方案尺寸，但較高的開關(guān)頻率通常會導(dǎo)致開關(guān)損耗增加，從而降低整體效率。是否有可能避免這種權(quán)衡并滿足微處理器、CPU、SoC、ASIC 和 FPGA 在極高電流水平下的瞬態(tài)要求？

　　Analog Devices 的 Power by Linear? 單片 Silent Switcher 2 降壓穩(wěn)壓器系列可實(shí)現(xiàn)緊湊的解決方案尺寸、高電流能力、高效率，以及更重要的是卓越的 EMI 性能。LTC7151S 單片降壓穩(wěn)壓器采用 Silent Switcher 2 架構(gòu)來簡化 EMI 濾波器設(shè)計(jì)。谷值電流模式降低了輸出電容要求。讓我們看看 SoC 的 20 V 輸入至 1 V、15 A 輸出解決方案。
　　SoC 的 20 V 輸入的 15 A 解決方案 圖 1 顯示了適用于 SoC 和 CPU 電源應(yīng)用的 1 MHz、1.0 V、15 A 解決方案，其中輸入通常為 12 V 或 5 V，變化范圍為 3.1 V 至 20 V。輸入和輸出電容器、電感器以及幾個小電阻器和電容器是完成電源所必需的。該電路可以輕松修改以產(chǎn)生其他輸出電壓，例如 1.8V、1.1V 和 0.85V，低至 0.6V。輸出軌的負(fù)返回（至 V– 引腳）可實(shí)現(xiàn)輸出的遠(yuǎn)程反饋感測電壓接近負(fù)載，限度地減少由板跡線電壓降引起的反饋誤差。
　　圖 1 中的解決方案采用 LTC7151S Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器采用采用 28 引線、耐熱增強(qiáng)型 4 mm × 5 mm × 0.74 mm LQFN 封裝的高性能集成 MOSFET。通過谷值電流模式進(jìn)行控制。內(nèi)置保護(hù)功能，限度地減少外部保護(hù)元件的數(shù)量。
　　頂部開關(guān)的短導(dǎo)通時間僅為 20 ns（典型值），從而能夠以非常高的頻率直接降壓至電壓。熱管理功能可在高達(dá) 20 V 的輸入電壓下可靠、連續(xù)地提供高達(dá) 15 A 的電流，無需散熱器或氣流，使其成為電信、工業(yè)、交通和汽車領(lǐng)域 SOC、FPGA、DSP、GPU 和微處理器的熱門選擇應(yīng)用程序。
　　LTC7151S 的寬輸入范圍使其能夠用作級中間轉(zhuǎn)換器，在 5V 或 3.3V 電壓下支持高達(dá) 15A 的電流至多個下游負(fù)載點(diǎn)或 LDO 穩(wěn)壓器。

　　使用的輸出電容器滿足嚴(yán)格的瞬態(tài)規(guī)范 通常，會調(diào)整輸出電容器以滿足環(huán)路穩(wěn)定性和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的要求。這些規(guī)格對于為處理器電壓提供服務(wù)的電源尤其嚴(yán)格，必須很好地控制負(fù)載瞬態(tài)過沖和下沖。例如，在負(fù)載階躍期間，輸出電容器必須介入，立即提供電流來支持負(fù)載，直到反饋環(huán)路使開關(guān)電流足以接管。通常，通過在輸出側(cè)安裝大量多層陶瓷電容器來抑制過沖和下沖，從而滿足快速負(fù)載瞬態(tài)期間的電荷存儲要求。

　　圖 1：適用于 SoC 和 CPU 的 1 MHz、15 A 降壓穩(wěn)壓器的原理圖和效率。

　

　　圖 2：(a) 該 5 V 輸入至 1 V 輸出應(yīng)用以 2 MHz 運(yùn)行，需要的輸出電容，以便快速、清晰地對 (b) 負(fù)載階躍做出反應(yīng)，以及
　　另外或替代地，提高開關(guān)頻率可以提高快速環(huán)路響應(yīng)，但代價是增加開關(guān)損耗。
　　還有第三種選擇：具有谷值電流模式控制的穩(wěn)壓器可以動態(tài)改變穩(wěn)壓器的開關(guān) TON 和 TOFF 時間，幾乎可以立即滿足負(fù)載瞬態(tài)的要求。這可以顯著降低輸出電容以滿足快速響應(yīng)時間。圖 2 顯示了 LTC7151S Silent Switcher 穩(wěn)壓器以 8 A/μs 壓擺率立即響應(yīng)從 4 A 到 12 A 的負(fù)載階躍的結(jié)果。LTC7151S 的受控導(dǎo)通時間 (COT) 谷值電流模式架構(gòu)允許開關(guān)節(jié)點(diǎn)脈沖在 4 A 至 12 A 負(fù)載階躍轉(zhuǎn)換期間壓縮。上升沿開始后約 1 μs，輸出電壓開始恢復(fù)，過沖和下沖限制在 46 mV 峰峰值。圖 2a 中所示的三個 100 μF 陶瓷電容器足以滿足典型的瞬態(tài)規(guī)格，如圖2b所示。圖 2c 顯示了負(fù)載階躍期間的典型開關(guān)波形。

　　圖 3：fSW = 3 MHz 時 5 V 輸入至 1 V/15 A 的原理圖和效率。

　

　　圖 4：開關(guān)頻率為 1 MHz 的 1.2 V 穩(wěn)壓器原理圖。
　　3 MHz 時的高效率降壓適合狹小的空間 LTC7151S 的 4 mm × 5 mm × 0.74 mm 封裝中集成了 MOSFET、驅(qū)動器和熱環(huán)路電容器。通過保持這些組件靠近，可以減少寄生效應(yīng)，從而可以以非常窄的死區(qū)時間快速打開/關(guān)閉開關(guān)。開關(guān)管反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通損耗大大降低。集成熱環(huán)路去耦電容器和內(nèi)置補(bǔ)償電路還消除了設(shè)計(jì)復(fù)雜性，限度地減小了總解決方案尺寸。
　　圖 3 顯示了以 3 MHz 開關(guān)頻率運(yùn)行的 5 V 至 1 V 解決方案。Eaton 的小尺寸 100 nH 電感器與三個 100 μF/1210 陶瓷電容器一起為 FPGA 和微處理器應(yīng)用提供了外形非常薄的緊湊型解決方案。效率曲線如圖3b所示。滿載時室溫溫升約15℃。
　　Silent Switcher 2 技術(shù)帶來出色的 EMI 性能 15 A 應(yīng)用符合已發(fā)布的 EMI 規(guī)范（例如 CISPR 22/CISPR 32 傳導(dǎo)和輻射 EMI 峰值限制）可能意味著需要多次迭代電路板，涉及解決方案尺寸的大量權(quán)衡、總效率、可靠性和復(fù)雜性。傳統(tǒng)方法通過減慢開關(guān)邊沿和/或降低開關(guān)頻率來控制 EMI。兩者都會產(chǎn)生不良影響，例如效率降低、短開關(guān)時間增加以及解決方案尺寸增大。強(qiáng)力 EMI 緩解（例如復(fù)雜且笨重的 EMI 濾波器或金屬屏蔽）會顯著增加所需電路板空間、元件和裝配的成本，同時使熱管理和測試變得復(fù)雜。
　　
　　圖 5：GTEM 中的輻射 EMI 通過了 CISPR 22 B 類限制。
　　Analog Devices 專有的 Silent Switcher 2 架構(gòu)采用了多種 EMI 降低技術(shù)，包括集成熱環(huán)路電容器，以限度地減小噪聲天線尺寸。LTC7151S 通過集成高性能 MOSFET 和驅(qū)動器來保持較低的 EMI，這使得 IC 設(shè)計(jì)人員能夠生產(chǎn)出具有化內(nèi)置開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴的器件。其結(jié)果是，即使開關(guān)沿具有高轉(zhuǎn)換速率，存儲在熱環(huán)路中的相關(guān)能量也能得到高度控制，從而實(shí)現(xiàn)卓越的 EMI 性能，同時限度地減少高工作頻率下的交流開關(guān)損耗。
　　LTC7151S 已在 EMI 測試室中進(jìn)行了測試，并通過了 CISPR 22/CISPR 32 傳導(dǎo)和輻射 EMI 峰值限制，并且前面有一個簡單的 EMI 濾波器。圖 4 顯示了 1 MHz、1.2 V/15 A 電路的原理圖，圖 5 顯示了千兆赫橫向電磁 (GTEM) 單元中的輻射 EMI CISPR 22 測試結(jié)果。