高功率密度系統(tǒng)需要怎樣的電流轉(zhuǎn)換器？

凌力爾特公司(現(xiàn)隸屬 Analog Devices 公司)

電源產(chǎn)品

高級(jí)產(chǎn)品市場(chǎng)工程師  Steve Knoth

高級(jí)設(shè)計(jì)工程師  Steve Zhou

背景信息

2016 年，不斷擴(kuò)大的大電流、低壓數(shù)字 IC 市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了 92 億美元 [數(shù)據(jù)來源：Intense Research 公司]。這類數(shù)字 IC 包括微控制器和微處理器 (µC 和 µP)、可編程邏輯器件 (PLD)、數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)、專用集成電路 (ASIC)、和圖形處理器單元 (GPU)。此外，我們來看一下對(duì)這個(gè)市場(chǎng)中一個(gè)較大的細(xì)分市場(chǎng)——現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) IC 的預(yù)期，2014 年，這個(gè)細(xì)分市場(chǎng)的規(guī)模為 39.2 億美元，預(yù)計(jì)到 2022 年將達(dá)到 72.3 億美元，從 2016 年到 2022 年，年復(fù)合增長率為 7.41% [數(shù)據(jù)來源：marketsandmarkets.com]。高功率密度數(shù)字 IC 幾乎已經(jīng)進(jìn)入了所有嵌入式系統(tǒng)。這類系統(tǒng)包括但不限于：工業(yè)、通信、電信、服務(wù)器、醫(yī)療、游戲、消費(fèi)類音頻/視頻和汽車系統(tǒng)。在這些市場(chǎng)中，F(xiàn)PGA 正在使先進(jìn)應(yīng)用變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，例如，高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 和防撞系統(tǒng)等消除人為差錯(cuò)的汽車應(yīng)用。此外，政府要求的安全功能，例如防鎖剎車系統(tǒng)、穩(wěn)定性控制和電氣控制的獨(dú)立懸架系統(tǒng)都必須使用 FPGA。在消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域，對(duì)物聯(lián)網(wǎng) (IoT)和機(jī)器至機(jī)器 (M2M) 通信的需求以及數(shù)據(jù)與服務(wù)器中心的增長，也是驅(qū)動(dòng) FPGA 市場(chǎng)增長的一些因素，需要存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)和進(jìn)行云計(jì)算是數(shù)據(jù)和服務(wù)器中心增長的驅(qū)動(dòng)因素。

這些基于高功率密度數(shù)字 IC 的系統(tǒng)對(duì)電源有一套獨(dú)特的要求。就目前這一代 FPGA 和 ASIC處理器而言，大電流、低電壓和快速瞬態(tài)響應(yīng)相結(jié)合，對(duì)于給這些器件供電的電源提出了越來越嚴(yán)格的要求。這些數(shù)字 IC 很強(qiáng)大，但是從電源角度來看卻是不穩(wěn)定的。傳統(tǒng)上，用來給這類器件供電的一直是具單獨(dú)大功率 MOSFET 的高效率開關(guān)穩(wěn)壓器控制器，但是這類控制器有潛在的噪聲干擾、較慢的瞬態(tài)響應(yīng)和布局限制問題。因此，近幾年來，最大限度減少熱量的低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 一直被作為替代解決方案使用，但是這類穩(wěn)壓器也不是沒有其自身的一些限制。不過，由于這一領(lǐng)域最新出現(xiàn)的產(chǎn)品創(chuàng)新，發(fā)展趨勢(shì)正在發(fā)生變化。較新型的大功率單片開關(guān)穩(wěn)壓器不再需要進(jìn)行性能折衷，并正在迅速得到采用。

開關(guān)穩(wěn)壓器與充電泵及 LDO

低電壓、大電流降壓型轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)可以通過各種方法和各種設(shè)計(jì)折衷來實(shí)現(xiàn)。就剛起步的人而言，開關(guān)穩(wěn)壓器控制器以高效率運(yùn)行，在很寬的電壓范圍內(nèi)提供大電流，但是需要諸如電感器和電容器 (以及在控制器情況下的 FET) 等外部組件才能運(yùn)行。無電感器充電泵 (或開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器) 也可用來實(shí)現(xiàn)較低電壓的轉(zhuǎn)換，但是輸出電流能力受限，瞬態(tài)性能不佳，且與現(xiàn)行線性穩(wěn)壓器相比，需要更多外部組件。因此，在數(shù)字 IC 電源應(yīng)用中，不常見到充電泵。相反，線性穩(wěn)壓器，尤其是 LDO，就非常簡單，因?yàn)檫@類穩(wěn)壓器僅需要兩個(gè)外部電容器就可運(yùn)行。然而，線性穩(wěn)壓器的功率也許受限，這取決于該 IC 兩端的輸入至輸出電壓差大小和負(fù)載需要多大電流、以及封裝的熱阻特性。這就對(duì)線性穩(wěn)壓器進(jìn)入數(shù)字 IC 供電領(lǐng)域造成了限制。

大電流單片降壓型轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

晶片制造技術(shù)線寬不斷變窄，嚴(yán)格遵循了摩爾定律 (最初構(gòu)想于 1965 年)，因此要求數(shù)字 IC 以更低電壓運(yùn)行。幾何尺寸更小的工藝允許在最終產(chǎn)品中集成更多需要大量功率的功能。例如，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)服務(wù)器和通信路由系統(tǒng)需要更大的帶寬，以處理更多計(jì)算數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)流量。汽車有更多車載電子產(chǎn)品，以提供娛樂、導(dǎo)航、自助駕駛功能，甚至引擎控制。結(jié)果，系統(tǒng)電流消耗和所需的總功率增加了。因此，需要最先進(jìn)的封裝和創(chuàng)新性內(nèi)部電源級(jí)設(shè)計(jì)，以將電源 IC 中的熱量散出來，同時(shí)提供前所未有的大功率。

較大的電源抑制比 (PSRR) 和較低的輸出電壓噪聲或紋波需求是另外兩項(xiàng)需要考慮的挑戰(zhàn)。具較大電源抑制比的器件能夠更容易地在輸入端濾除和抑制噪聲，從而產(chǎn)生干凈和穩(wěn)定的輸出。此外，在很寬的帶寬內(nèi)具較低輸出電壓噪聲或較低輸出紋波的器件有利于給如今的新式低噪聲軌供電，在這類軌中，噪聲靈敏度是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的主要因素。隨著對(duì)高端 FPGA 速度要求的提高，電源噪聲容限在不斷降低，以最大限度減少誤碼。就這類高速 PLD 而言，這類噪聲引起的數(shù)字故障極大地降低了有效數(shù)據(jù)吞吐速率。在大電流時(shí)，輸入電源噪聲顯然是一種重要但要求苛刻的性能規(guī)格。