因應高密度應用的多相、超薄、低雜訊電源解決方案

作者：ADI 資深設計評估工程師 Jennifer Florence Joseph Benedicto以及資深類比設計工程經理George Qian

摘要

超薄、低雜訊、多相電源解決方案，正不斷突破高密度電子系統的傳統限制。此類解決方案兼具精巧尺寸與大電流能力，使設計人員能夠滿足嚴苛的瞬態和效率要求，而不必犧牲寶貴的電路板空間。先進的多相架構支援快速瞬態響應，輸出漣波更低，散熱性能更佳，對於散熱受限且重視訊號完整性的應用非常有幫助。

本文介紹了一個使用超薄、低雜訊µModule®穩壓器實現的實際方案。透過利用多相交錯和並聯操作，該方案以精巧的尺寸實現了極低的輸出雜訊和電磁干擾(EMI)，同時將輸出電流提升至16A。這種方法特別適用於資料中心、5G電信和工業自動化應用中的敏感類比電路、高速資料介面和高密度佈線的PCB。

引言

現代電子系統，如雲端伺服器、電信基礎設施和先進的工業自動化設備，通常要求在日益受限的空間內實現更高性能。面對負載電流需求不斷上升，同時電路板面積不斷縮小，設計人員必須在不犧牲效率、雜訊性能和訊號完整性的前提下，交付穩健的大電流解決方案。與此同時，敏感類比電路和高速資料介面的廣泛使用，使得低雜訊和電磁干擾(EMI)最小化變得日益關鍵。

LTM4732採用超薄、大電流多相架構及ADI突破性的Silent Switcher® 3 (SS3)技術來因應上述挑戰。此款μModule®穩壓器尺寸僅為6.25mm × 4mm × 1.92mm，非常適合空間有限、對高度有嚴格限制、每一毫米都彌足珍貴的應用。整體高度近乎等同於表面黏著的1206封裝電容，支援安裝在PCB的背面，進而騰出電路板正面的空間。此款元件透過整合SS3技術，實現了優異的雜訊性能，低頻輸出雜訊低至4µV rms，傳導和輻射EMI顯著降低。傳統低壓差(LDO)穩壓器常常以效率為代價換取低雜訊性能，而且可能需要在開關轉換器之後再加一級穩壓電路。相較之下，LTM4732在單一精巧的模組中同時實現了高效率和超低雜訊特性。如此一來，電源系統無需額外的LDO級，設計得以簡化，同時仍能滿足敏感類比系統和高速數位系統的嚴格雜訊要求。高轉換效率使功率損耗和發熱量進一步減少，因此該解決方案非常適合重視散熱性能和能效的應用。

功率模組中的多相操作和交錯

現代大電流功率模組（如LTM4732）利用多相操作，實現卓越的效率、雜訊和瞬態響應性能。在多相拓撲中，數個轉換器相位並聯操作，每相以相同頻率開關，但與其他相位保持固定的相移。開關事件的交錯是此種架構的核心優勢所在。

相位交錯與漣波降低

當N個相位交錯時，每個相位的時間偏移為：

例如，在一個四相系統中，每相偏移90°。這種交錯使開關事件在開關週期中均勻分佈，進而有效提高了輸出漣波頻率：

其中，N為相數，f_sw為每相的開關頻率。

更高的有效漣波頻率，外加輸出節點上相電流的部分抵消，使得輸出電壓漣波大幅降低。對於理想的多相系統，峰對峰值漣波電壓大致與相數成反比。因此，設計人員得以利用更小的輸出電容達到嚴格的漣波目標，進而減少電路板面積和元元件數量。

輸出電容和瞬態響應

在快速負載瞬變期間，初始輸出電壓偏差主要取決於在控制迴路回應之前，電路能以多快的速度將電流輸送至輸出電容。在交錯多相轉換器中，相位交錯可提高輸出端的有效漣波頻率，將漣波能量推至更高頻率，同時縮短負載獲得電流供給的間隔。

因此，瞬態負載需求分佈在多個相位上，每安培負載階躍的暫態電壓偏差得以降低。測量結果顯示，在大負載轉換期間，即使輸出電流水準較高，電路也能穩定恢復，並將電壓偏移控制在合理範圍內。

電流升降與熱管理

多相操作的另一個優勢是電流升降非常簡單。總輸出電流能力隨相數線性成長：

多模組並聯可提高總電流輸出，同時熱和電應力分散至各相，因而可靠性更高，熱管理更簡單。

多轉換器相位交錯可降低輸出漣波，並使熱量在各相之間均勻分佈，進而提升電流能力和效率。因此，在重視雜訊和散熱管理的高性能應用中，多相架構極具價值。

LTM4732應用於多相架構的設計考量和指南

概述

在多相應用中使用LTM4732時，必須重點關注配置、同步和佈局，以確保實現最優性能和可靠的均流。本部分總結了大電流應用的實用指南和最佳實踐，包括如何並聯多個模組、有效降低雜訊、管理熱性能等。

並聯配置

為了透過單路輸出支援更高的負載電流，可將兩個或更多模組並聯配置，也就是將所有元件的 V_IN、V_OUT、V_OSNS和COMP接腳連在一起。這種配置可確保所有相位共用電壓感測和補償，對於準確均流和穩定運行非常重要。圖1展示了一個四相配置，所有模組並聯連接。

時脈同步和相位鎖定

多個LTM4732轉換器經過配置，可支援多相操作，具體可透過從相與主相時脈同步來實現。為確保可靠同步，主相的自由運行振盪器頻率在同步之前應設定為至少比從相高20%，並且主相的CLKOUT施加於從相的SYNC。

PHMODE接腳設定轉換器之間的相對相移。PHMODE接地時，相移為180°；PHMODE浮空時，相移為120°；PHMODE連接到INTV_CC或大於3V的外部電源時，相移為90°。對於三相操作，PHMODE浮空以實現120°的相移，而對於四相操作，PHMODE連接到INTV_CC以實現90°的相移，分別如圖2a和2b所示。

這種配置可確保相位交錯具有確定性，進而降低輸出漣波並改善EMI性能。

測量結果與性能驗證

效率、功率損耗和熱性能

圖3比較了單相和四相配置在不同負載電流下的效率。在4A負載下，四相配置的效率為83%，優於單相配置的75.5%。效率之所以提升，原因是多相分擔負載時，每相的RMS電流會減少，且導通損耗會降低。

我們在穩態負載條件下評估了四相配置的效率、功率損耗及熱行為，以表徵分析其在高輸出電流下的系統級性能。

在整個工作負載範圍內，實測效率保持了較高的水準，同時總功率損耗隨輸出電流提升逐漸增加，符合預期。四個交錯相位則分擔負載電流，每相的電流應力得以降低，有助於抑制每個模組內的導通損耗，並使系統能在更高負載水準下穩定運行。

熱像圖顯示，四個模組的溫度分佈均勻，運作期間未觀察到局部熱點。元件峰值溫度受到良好控制，證明多相配置中均流和熱擴散十分有效。這種均衡的熱特性有助於提升電流輸出能力，並增強熱受限應用中的系統可靠性。

總之，實測得到的效率、功耗和熱結果證實：四相LTM4732方案具備穩健的大電流性能，損耗可控，熱應力分佈均勻。

瞬態響應

圖6顯示了四相配置對8A至16A負載階躍的輸出電壓回應。在大負載轉換期間，轉換器保持了受控的電壓偏差和穩定的恢復性能。輸出快速建立，沒有持續振盪，表示迴路具有足夠的穩定性，且各相的電流分配有效。按所應用負載階躍歸一化後的電壓偏差測量結果顯示，多相架構不僅具備高效的電流傳輸能力，而且呈現出較低的有效輸出阻抗。由於電流由各相分擔，暫態電壓跌落得到有效抑制，系統在高動態負載情況下也能實現快速瞬態恢復。

波特圖（頻率響應）

圖7展示了四相配置在標稱工作條件下測得的控制迴路增益和相位回應。迴路表現出明確的單一交越頻率和足夠的相位餘裕，表示系統在整個頻率範圍內能夠穩定運行。測得的交越頻率約為66kHz，相位餘裕為53°，瞬態響應與穩定性實現了平衡。沒有觀察到低頻不穩定性或過大峰化現象，且交越點後的迴路增益平穩下降，符合預期的電流模式控制行為。

故障排除和建議

• 驗證各模組的所有共用接腳（V_IN、V_OUT、V_OSNS、COMP）是否連接正確。
• 在示波器上觀察CLKOUT/SYNC波形，確認相位是否正確鎖定。
• 如果相位鎖定失敗，請檢查RT電阻值，並確保從屬模組的頻率設定低於主模組。
• 監測操作期間的輸出電壓和電流共用狀況，檢測是否有任何不平衡。
• 利用熱成像技術識別熱點，並驗證熱分佈均勻。

結論

LTM4732為空間受限應用中的大電流、低雜訊電源傳輸樹立了新的性能標桿。憑藉超薄外型、先進的多相交錯設計和SS3技術，LTM4732實現了卓越的效率、極低的輸出雜訊和穩健的EMI性能。實測結果證實，多模組並聯可提升輸出電流、降低漣波並優化散熱管理，讓許多設計不再需要後置穩壓LDO。

只要遵循本文概述的設計考量和最佳實踐，工程師就能在要求嚴苛的系統中自信地採用LTM4732，實現性能與可靠性的雙重優化。隨著功率密度和雜訊要求的不斷提高，諸如此類的多相解決方案為下一代電子設計提供了一種彈性且可因應未來的方法。

參考資料

¹ Erik Lamp、Xinyu Liang，「因應大電流、快速瞬態響應、雜訊敏感型應用的多相解決方案——第1部分」，ADI，2023年3月。