【導讀】在過去幾年中
，多層陶瓷電容器（MLCC）的de價jia格ge急ji劇ju上shang漲zhang
，跟gen蹤zong了le汽qi車che，工gong業ye
，數shu據ju中zhong心xin和he電dian信xin行xing業ye中zhong使shi用yong的de電dian源yuan數shu量liang的de擴kuo展zhan。陶tao瓷ci電dian容rong器qi用yong於yu輸shu出chu端duan的de電dian源yuan中zhong
，以yi降jiang低di輸shu出chu紋wen波bo，並bing控kong製zhi由you於yu高gao壓ya擺bai率lv負fu載zai瞬shun變bian引yin起qi的de輸shu出chu電dian壓ya過guo衝chong和he欠qian衝chong。輸shu入ru端duan需xu要yao陶tao瓷ci電dian容rong器qi進jin行xing去qu耦ou和he濾lv除chuEMI，因為它們在高頻下具有低ESR和低ESL。

在過去幾年中
，多層陶瓷電容器（MLCC）的de價jia格ge急ji劇ju上shang漲zhang，跟gen蹤zong了le汽qi車che
，工gong業ye
，數shu據ju中zhong心xin和he電dian信xin行xing業ye中zhong使shi用yong的de電dian源yuan數shu量liang的de擴kuo展zhan。陶tao瓷ci電dian容rong器qi用yong於yu輸shu出chu端duan的de電dian源yuan中zhong，以yi降jiang低di輸shu出chu紋wen波bo，並bing控kong製zhi由you於yu高gao壓ya擺bai率lv負fu載zai瞬shun變bian引yin起qi的de輸shu出chu電dian壓ya過guo衝chong和he欠qian衝chong。輸shu入ru端duan需xu要yao陶tao瓷ci電dian容rong器qi進jin行xing去qu耦ou和he濾lv除chuEMI，因為它們在高頻下具有低ESR和低ESL。

為了提高工業和汽車係統的性能，需要將數據處理速度提高幾個數量級，越來越多的高功耗設備被擠入微處理器、CPU、片上係統 （SoC）、ASIC 和 FPGA。這些複雜器件類型中的每一種都需要多個穩壓軌：通常，內核為 0.8 V，DDR3 和 LPDDR4 分別為 1.2 V 和 1.1 V，外設和輔助組件分別為 5 V、3.3 V 和 1.8 V。降壓轉換器廣泛用於從電池或直流母線產生穩壓電源。

例如，高級駕駛輔助係統（ADAS）在汽車中的普及大大提高了陶瓷電容器的使用率。隨著5G技術在電信領域的興起
，需要高性能電源
，陶瓷電容器的使用也將顯著增加。內核電源電流已從幾安培增加到數十安培，對電源紋波、負載瞬態過衝/欠衝和電磁幹擾 （EMI） 的控製非常嚴格，這些功能需要額外的電容。

在許多情況下
，傳統的電源方法無法跟上變化的步伐。整體解決方案尺寸太大，效率太低，電路設計太複雜
，物料清單（BOM）成(cheng)本(ben)太(tai)高(gao)。例(li)如(ru)，為(wei)了(le)滿(man)足(zu)快(kuai)速(su)負(fu)載(zai)瞬(shun)變(bian)的(de)嚴(yan)格(ge)電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)規(gui)範(fan)，輸(shu)出(chu)端(duan)需(xu)要(yao)大(da)量(liang)陶(tao)瓷(ci)電(dian)容(rong)器(qi)來(lai)存(cun)儲(chu)和(he)源(yuan)出(chu)負(fu)載(zai)瞬(shun)變(bian)產(chan)生(sheng)的(de)大(da)量(liang)電(dian)流(liu)。輸(shu)出(chu)陶(tao)瓷(ci)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)總(zong)成(cheng)本(ben)可(ke)以(yi)達(da)到(dao)功(gong)率(lv)IC的幾倍。

較高的電源工作（開關）頻pin率lv可ke以yi降jiang低di瞬shun變bian對dui輸shu出chu電dian壓ya的de影ying響xiang，降jiang低di電dian容rong要yao求qiu和he整zheng體ti解jie決jue方fang案an尺chi寸cun，但dan較jiao高gao的de開kai關guan頻pin率lv通tong常chang會hui導dao致zhi開kai關guan損sun耗hao增zeng加jia

，從cong而er降jiang低di整zheng體ti效xiao率lv。是shi否fou有you可ke能neng避bi免mian這zhe種zhong權quan衡heng，並bing在zai高gao級ji微wei處chu理li器qi


、CPU、SoC、ASIC 和 FPGA 所需的非常高電流水平下滿足瞬態要求
？為了考慮這個問題，讓我們看一下SoC的20 V輸入至1 V/15 A輸出。

15 A 從 20 V 輸入

圖1顯示了適用於SoC和CPU電源應用的1 MHz、1.0 V、15 A架構

，其輸入典型值為12 V或5 V，可在3.1 V至20 V範圍內變化。隻需輸入和輸出電容器、一個電感器以及幾個小電阻器和電容器即可完成電源。可以輕鬆修改該電路，以產生低至0.6 V的其他輸出電壓，例如1.8 V、1.1 V和0.85 V。輸出軌的負回路（V– 引腳）可實現對靠近負載的輸出電壓進行遠程反饋檢測，從而最大限度地減少由電路板走線壓降引起的反饋誤差。

圖1所示的方法使用具有高性能集成MOSFET的穩壓器。該特定穩壓器是一款LTC7151S單片式降壓穩壓器
，它采用靜音開關 2 架構來簡化 EMI 濾波器設計。采用 28 引腳
、耐熱性能增強型 4 mm × 5 mm × 0.74 mm LQFN 封裝。通過穀值電流模式進行控製

，降低了輸出電容要求。內置保護功能，以最大限度地減少外部保護組件的數量。

頂部開關的最短導通時間僅為20 ns（典型值），能夠以非常高的頻率直接降壓至內核電壓。熱管理功能可在輸入電壓高達 20 V 的情況下實現高達 15 A 的可靠和連續傳輸電流，無需散熱器或氣流，使其成為電信、工業、運輸和汽車應用中 SOC、FPGA

、DSP
、GPU 和微處理器的熱門選擇。該穩壓器具有寬輸入範圍，可用作第一級中間轉換器，在5 V或3.3 V時支持高達15 A的電流
，支持多個下遊負載點或LDO穩壓器。

圖1.適用於 SoC 和 CPU 的 1 MHz、15 A 降壓穩壓器的原理圖和效率。

以最小的輸出電容滿足嚴格的瞬態規格

tongchang
，shuchudianronghuijinxingsuofang，yimanzuhuanluwendingxinghefuzaishuntaixiangyingdeyaoqiu。duiyuweichuliqineihedianyatigongfuwudedianyuan，zhexieguigeyouqiyange，zaizhexiedianyuanzhong，fuzaishuntaiguochonghexiachongbixudedaohenhaodekongzhi。liru，zaifuzaijieyueqijian，shuchudianrongbixubujin，shunshitigongdianliuyizhichifuzai，zhidaofankuihuanlushikaiguandianliuzuyijieguan。tongchang
，tongguozaishuchuceanzhuangdaliangduocengtaocidianrongqilaiyizhiguochonghexiachong，congermanzukuaisufuzaishunbianqijiandedianhecunchuyaoqiu。

此外，將開關頻率推高可以改善快速環路響應
，但代價是開關損耗增加。

還有第三種選擇：具有穀值電流模式控製的穩壓器可以動態改變穩壓器的開關TON和TOOFF時間，幾乎可以瞬間滿足負載瞬變的需求。這樣可以顯著降低輸出電容，以滿足快速響應時間。圖2顯示了LTC7151S靜音開關穩壓器以8 A/μs壓擺率立即響應4 A至12 A負載階躍的結果。LTC7151S的受控導通時間（COT）穀值電流模式架構允許開關節點脈衝在4 A至12 A負載階躍轉換期間壓縮。上升沿開始後約1 μs

，輸出電壓開始恢複
，過衝和下衝峰峰值限製為46 mV。圖2a所示的三個100 μF陶瓷電容足以滿足典型的瞬態規格，如圖2b所示。圖2c顯示了負載階躍期間的典型開關波形。

圖2.（a） 此 5 V 輸入至 1 V 輸出應用以 2 MHz 運行
，輸出端需要最小電容，以便快速、幹淨地響應 （b） 負載階躍以及 （c） 負載階躍期間的開關波形。

3 MHz 時的高效率降壓適合狹小空間

使用高集成度穩壓器可使 MOSFET、驅動器和熱回路電容器保持緊密連接。這減少了寄生效應，並允許以非常窄的死區時間快速打開/關guan閉bi開kai關guan。開kai關guan反fan並bing聯lian二er極ji管guan的de導dao通tong損sun耗hao大da大da降jiang低di。集ji成cheng的de熱re回hui路lu去qu耦ou電dian容rong和he內nei置zhi補bu償chang電dian路lu也ye消xiao除chu了le設she計ji複fu雜za性xing，從cong而er最zui大da限xian度du地di減jian小xiao了le解jie決jue方fang案an的de總zong尺chi寸cun。

如前所述，頂部開關的最小值為20 ns（典型值）
，允許在高頻下進行非常低的占空比轉換，使設計人員能夠利用超高頻工作（如3 MHz）來減小電感、輸入電容和輸出電容的尺寸和值。極其緊湊的解決方案適用於空間有限的應用，例如汽車和醫療應用中的便攜式設備或儀器。使用 LTC7151S 時，不需要龐大的熱緩解組件

，例如風扇和散熱器，這得益於其高性能電源轉換，即使在非常高的頻率下也是如此。

圖3所示為5 V至1 V解決方案，工作在3 MHz開關頻率。伊頓的小尺寸 100 nH 電感器與三個 100 μF/1210 陶瓷電容器相結合，為 FPGA 和微處理器應用提供了超薄的緊湊型解決方案。效率曲線如圖3b所示。室溫下滿載時溫升約15°C。

圖3.5 V 輸入至 1 V/15 A 的原理圖和效率
，f西 南部= 3 兆赫。

提高電磁幹擾性能

滿足已發布的EMI規範
，例如CISPR 22/CISPR 32傳導和輻射EMI峰值限值
，應用15 A可能意味著許多迭代電路板旋轉，涉及解決方案尺寸、總效率、可靠性和複雜性的眾多權衡。傳統方法通過減慢開關邊沿和/或降低開關頻率來控製EMI。兩者都有不良影響
，例如效率降低、最小開關時間增加以及解決方案尺寸增大。暴力EMI抑製
，如複雜而笨重的EMI濾波器或金屬屏蔽，大大增加了所需的電路板空間、元件和組裝成本，同時使熱管理和測試複雜化。

EMI可以通過多種方式降低，包括集成熱回路電容器，以最大限度地減少噪聲天線尺寸。LTC7151S 通過集成高性能 MOSFET 和驅動器來保持低 EMI，從而使 IC shejirenyuannenggoushengchanchujuyouneizhizuixiaokaiguanjiedianzhenlingdeqijian。jieguoshi
，jishikaiguanbianyanjuyougaoyabailv，cunchuzairehuiluzhongdexiangguannengliangyeshoudaogaodukongzhi
，congershixianchusedeEMI性能，同時最大限度地降低高工作頻率下的交流開關損耗。

LTC7151S 已在 EMI 測試室中進行了測試，並通過了 CISPR 22 / CISPR 32 傳導和輻射 EMI 峰值限製
，前麵有一個簡單的 EMI 濾波器。圖4顯示了1 MHz、1.2 V/15 A電路的原理圖，圖5顯示了千兆赫茲橫向電磁（GTEM）電池的輻射EMI CISPR 22測試結果。

圖4.開關頻率為1 MHz的1.2 V穩壓器原理圖。

圖5.GTEM 中的輻射 EMI 超過 CISPR 22 B 類限製。

智能電子
、自動化和傳感器在工業和汽車環境中的激增推動了電源所需的數量和性能要求。特別是低EMI，作為關鍵的電源參數考慮因素，以及對小解決方案尺寸
、高效率

、熱能力、魯棒性和易用性的通常要求，已經越來越受到重視。借助集成穩壓器，開發人員可以在非常緊湊的環境中滿足嚴格的EMI要求。通過穀值電流模式控製和高頻操作，穩壓器可以動態改變TON和TOOFF時間，以近乎瞬時主動支持負載瞬變，從而實現更小的輸出電容和快速響應。最後，集成的 MOSFET 和熱管理可在高達 20 V 的輸入範圍內連續穩定可靠地提供高達 15 A 的電流。

（作者：Zhongming Ye）

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