適用於先進SoC、FPGA和微處理器的低電壓、大電流設計解決方案

作者：ADI 資深應用工程師 Haisong Deng

摘要

本文討論各種高科技應用對先進電源解決方案的需求，例如需要多個低壓電源來為DDR、核心、I/O裝置等元件供電，而半導體整合度日益提高，使得微處理器的耗電量越來越大。為此，業界迫切需要提升遙測能力，以便對電壓、電流和溫度等參數進行監測。本文介紹一種雙相降壓型穩壓器設計，其中整合了數位電源系統管理功能，以致力於達成尺寸、效率、迴路穩定性和瞬態響應等方面的關鍵目標。

引言

目前的工業、汽車、伺服器、電信和資料通訊應用都需要先進的系統單晶片(SoC)、FPGA和微處理器解決方案。這些解決方案需要多個低壓電源，包括1.1 V（用於DDR）、0.8 V（用於核心）和3.3 V/1.8 V（用於I/O裝置）。隨著半導體整合度不斷提高，微處理器的耗電量越來越大，因此需要更大的供電電流。

同時，市場對採用FPGA或微處理器的遙測技術表現出強勁需求。此類技術能夠監測電壓、電流、溫度和其他裝置參數。為了簡化設計方案，可透過整合 I²/PMBus®的類比電源IC來監測這些關鍵參數並控制遙測。

因此，電源解決方案必須與I²/PMBus整合，以支援遙測回讀和穩壓器編時園，同時實現更大電流能力、更高效率和卓越的抗電磁干擾(EMI)性能。擁有高性能且滿足這些要求的多相元件正變得越來越受青睞。本文將介紹一款雙相降壓型穩壓器的一些設計思路。此款穩壓器的兩個通道可以提供總計高達40 A的連續電流，每個通道支援高達30 A的負載。其並整合了數位電源系統管理功能，可支援透過符合PMBus/I²標準的序列介面進行編程和遙測。設計時則須審慎考量並達成尺寸、效率、迴路穩定性和瞬態響應等方面的目標。

效率的重要性

假設一個應用需要從12 V電源獲得1 V、30 A的低電壓、大電流輸出，且效率為80%，則總損耗將達到7.5 W。這些損耗會變成熱量，導致IC和電感的溫度上升。資料中心的環境溫度通常高於室溫，額外的損耗會使IC的溫度進一步升高，進而更接近IC的熱關斷限值（通常為150°C）。對於負載點(POL)應用，此類問題尤為關鍵，因為DC-DC轉換器往往非常靠近高發熱量的微處理器。

接下來，我們將說明幾種提高低電壓、大電流元件效率的方法。

SW節點處的PCB佈線

在之前版本的雙相元件展示板設計中，第1相和第2相中的電感相對而置，如圖1所示。如果電感以此特定方向放置，EMI性能會更好。這種方式的缺點是開關(SW)節點會有相對較長的佈線，導致PCB佈線損耗更大，尤其是在重負載條件下，因為導通損耗與電流值的平方成正比(P = I²R)。

圖2所示為20 A負載條件下的熱圖像。開關節點溫度非常高，其溫升幾乎與IC相同。適當的設計可以改善PCB佈線所引起的損耗。

在圖3所示的測試設定中，我們對PCB進行了切割處理，並移動通道1電感，使之更靠近IC，進而縮短SW節點佈線。

根據PCB佈線的銅厚度和長度，SW節點的直流電阻為：

其中：

總損耗為：

其中：

在20 A負載條件下，SW節點產生的預期損耗為：

縮短SW佈線L = 0.3 cm後，改善後的損耗為：

計算得出的預期損耗改善幅度為：

圖4顯示了基於測試結果的效率改進情況。在20 A和30 A負載條件下，損耗改善幅度分別為0.22 W和0.53 W。

當負載提高時，效率差異會更大，表示此PCB佈線的導通損耗(P = I²R)將佔主導地位。在滿負載條件下，效率可提升1.5%。由於電感無法如此靠近IC，因此在第二版的電路板佈局中，電感會旋轉90°以面向IC以縮短SW佈線長度，如圖5所示。

增加 C_IN以抑制V_IN振鈴

在我們的研究中，輸入電容對低電壓和大電流應用的效率與穩定性也有很大影響。工程師常常忽視輸入電容設計的重要性，憑以往經驗來佈置輸入電容。有時候，受PCB方案總尺寸限制，工程師佈置的輸入電容可能不足可能導致電路不穩定和更多損耗。

圖6（從左到右）顯示了用於熱插拔和抑制湧浪電流的電解電容，大陶瓷電容（通常為1210或1206尺寸）用於減少輸入電流漣波，而小陶瓷電容（0402或0201尺寸）則用於減少高頻漣波。除此之外，Silent Switcher® 2技術會將一對電容嵌入封裝中，以進一步減少SW高頻雜訊和過沖。圖6右側圖片顯示了兩個1206陶瓷電容（黃色）、四個0402封裝外陶瓷電容（藍色），外加四個採用去封裝技術的0402封裝內電容（紅色）。封裝中晶片上方刻蝕一個孔，以暴露襯底上的封裝內電容。

使用探頭對這些輸入電容和開關節點進行探測，觀察不同輸入電容組合的行為。

然而，其代價是IC的最大工作溫度範圍從150°C (X8L)降低到125°C (X7R)。有時候，IC的最大溫度是一個重要考慮因素，因為許多應用（如資料中心）的環境溫度超過70°C。工程師需要注意這些情況，因為如果選擇X7R封裝內電容，最大溫度可能會超過工作範圍。

更大的C_IN不僅會提升開關的穩定性，還有助於提升效率。圖8顯示，如果增加足夠的輸入電容，效率將提高約1.4%，損耗降低0.3 W。輸入端的振鈴和壓降會導致開關損耗增加。8個1206尺寸的電容與2個1210尺寸的電容具有相似的效率，因此在這種情況下，理想的CIN選擇將是2個22 µF的1210尺寸電容。

對於輸入電容的選擇，由於陶瓷電容具有較大的直流額定範圍，因此工程師還應注意直流降額。例如，比較12 V下1206和1210電容的直流降額，1206尺寸電容的降額更為嚴重。表2列出了兩個Murata電容作為示例。有鑑於此，建議使用1210尺寸電容作為低電壓、大電流電源的輸入。

如果總輸入電容較小（圖7上方波形），在重負載條件下，SW節點波形會出現較大的振鈴。這是因為當頂部開關導通時，大部分電流將是從輸入電容中拉出。總電荷 = 電容 x 電壓(Q = CV)。因此，如果電容較小， C_IN將會有較大的壓降。 C_IN與輸入佈線和IC封裝的寄生電感將形成LC諧振電路，導致開關節點處出現振鈴。大電壓降也會導致SW失真和不穩定，在小脈衝後面跟隨一個大脈衝。

如果增加輸入電容以抑制振鈴，可以改善開關的不穩定性。相較於小CIN組合，大CIN組合的總電容值翻倍。CIN越接近開關的頂部，改善幅度就越大。因此，最好增加封裝內電容的值。在我們的案例中，兩個0.1 µF（0402、X8L）電容增加到0.22 µF（0402、X7R）（見表1）後，開關變得穩定（見圖7的下方波形）。

SIMPLIS模擬是一個有用的工具，可協助工程師更確定 C_IN的最優值。圖9顯示了一個降壓型穩壓器，標出了沿著電源佈線的寄生電感估計值。輸入電容已根據12 V輸入電壓下陶瓷電容的直流降額進行了調整。如果輸入電容翻倍，從2x70 nF增加到2x140 nF，振鈴會得到改善（見圖10）。

結語

本文重點討論低電壓、大電流電源設計，介紹了兩種方法來提高重負載條件下的效率。根據PCB上開關節點的熱點（其溫升幾乎與IC相同），我們建議改變電感的方向，縮短開關節點的佈線長度，進而降低損耗。輸入電容的設計非常重要，但也容易被忽視。輸入電容不足將導致電源不穩定且效率低下。在低電壓、大電流電源的設計中，應用工程師需要特別注意輸入電容的平衡。