Высокоэффективный 20-амперный регулятор напряжения для СнК и микропроцессоров

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2018

Zhongming Ye, Analog Devices

ADI Power by Linear Design Note 575

Мощность, потребляемая системами на кристалле (СнК), используемыми в промышленных и автомобильных решениях, постоянно увеличивается. Каждое последующее поколение СнК увеличивает энергопотребление устройств и повышает скорость обработки данных. Этим устройствам требуется надежное питание, включая 0.8 В для ядер, 1.2 В и 1.1 В для памяти DDR3 и LPDDR4, а также 5 В, 3.3 В и 1.8 В для периферии и вспомогательных компонентов. Вдобавок, усовершенствованные SoCs требуют более высоких характеристик источников питания, чем могут дать традиционные ШИМ-контроллеры и MOSFET. Это означает, что необходимы более компактные и сильноточные решения, с более высоким КПД и, что особенно важно, с очень низким уровнем электромагнитных излучений. Все это могут обеспечить монолитные регуляторы напряжения семейства Power by Linear Silent Switcher 2.

20-амперный преобразователь напряжения 20 В для СнК

LTC7150S поднимает на новый уровень планку характеристик промышленных и автомобильных источников питания. Микросхему отличают высокий КПД, небольшие размеры и низкий уровень излучаемых электромагнитных помех (ЭМИ). Интеграция высококачественных MOSFET и схемы управления тепловым режимом позволяет надежно обеспечивать нагрузку непрерывным током до 20 А при входных напряжениях до 20 В без использования теплоотвода или обдува, что делает LTC7150S идеальным устройством для питания СнК, ПЛИС, цифровых и графических процессоров и микроконтроллеров в промышленных, транспортных и автомобильных приложениях.

Рисунок 1.	Схема понижающего преобразователя 12 В/1.2 В и зависимость КПД от тока нагрузки.

На Рисунке 1 изображена основанная на LTC7150S схема решения для питания СнК и процессоров напряжением 1.2 В при токе 20 А, работающая на частоте 1 МГц. Благодаря широкому диапазону входных напряжений, схему легко модифицировать, чтобы получить другие комбинации выходных напряжений, включая 3.3 В, 1.8 В, 1.2 В и 0.6 В. Большой выходной ток позволяет использовать LTC7150S в качестве первичного 5-вольтового каскада, к которому может подключаться несколько вторичных импульсных или линейных стабилизаторов с различными выходными напряжениями.

Отличные характеристики ЭМИ, обусловленные архитектурой Silent switcher 2

Рисунок 2а.	Понижающий преобразователь 14 В/1 В с выходным током 20 А и частотой переключения 400 кГц.

Для соблюдения требований стандартов, регламентирующих уровни электромагнитных излучений, приходится создавать сложные схемы и решать проблемы измерений, а также искать компромиссы между размерами, КПД, надежностью и сложностью. Традиционные способы управления уровнем ЭМИ основаны на уменьшении крутизны фронтов импульсов MOSFET и/или снижении частоты переключения. За обе стратегии приходится расплачиваться снижением КПД, увеличением минимального времени включения и бóльшими размерами решения. Альтернативные методы снижения шумов, такие как сложные громоздкие фильтры ЭМИ или металлические экраны, значительно увеличивают затраты на печатную плату, компоненты и сборку, одновременно усложняя управление тепловыми режимами и тестирование.

Рисунок 2б.	Спектр электромагнитных излучений схемы на Рисунке 1.

Запатентованная Analog Devices архитектура Silent Switcher 2 автоматически подавляет ЭМИ с помощью интегрированных конденсаторов активной петли (название, которое разработчики архитектуры дали контурам, через которые коммутируется ток – ред.). В сочетании с интегрированными MOSFET это значительно уменьшает звон в коммутационном узле и связанную с ним энергию в активной петле, даже при очень крутых фронтах переключения. В результате достигаются исключительно высокие характеристики ЭМИ при одновременном снижении потерь переключения. Реализованная в LTC7150S технология Silent Switcher 2, минимизируя ЭМИ, намного упрощает конструкцию фильтров помех и разводку печатной платы. При добавлении лишь одного простейшего входного фильтра LTC7150S полностью соответствует требованиям стандартов CISP R22/32 в части кондуктивных и излучаемых помех. На Рисунке 2б показаны результаты измерений уровня ЭМИ, полученные с использованием методики, рекомендованной стандартом CISPR22.

Высокая частота, высокий КПД на небольшой площади

Внутренние MOSFET, интегрированные блокировочные конденсаторы горячей петли и встроенная схема частотной коррекции – все это намного упрощает конструирование и сводит к минимуму общие размеры системы. Благодаря высокому КПД преобразования, LTC7150S может отдавать большой ток, не нуждаясь в теплоотводе или обдуве воздухом. В отличие от большинства других решений, на высокой рабочей частоте обеспечиваются и низкий уровень электромагнитных помех, и высокий КПД, что позволяет использовать пассивные компоненты небольшого размера. На Рисунке 3 представлена очень низкопрофильная схема для питания ПЛИС и микропроцессоров, работающая на частоте 2 МГц, в которой используются только керамические конденсаторы и миниатюрный дроссель с индуктивностью 72 нГн.

Рисунок 3.	Схема и термограмма преобразователя на основе LTC7150S, работающего на частоте 2 МГц, при входном напряжении 5 В, выходном напряжении 0.85 В и выходном токе 20 А.

Заключение

Потребность в большей интеллектуальности, в автоматизации и измерениях в промышленной и автомобильной отраслях приводит к распространению электронных систем, нуждающихся во все более эффективных источниках питания. Требование низкого уровня ЭМИ, как ключевого параметра систем электропитания, с опозданием, но было добавлено к размерам решения, высокому КПД, тепловой эффективности, надежности и простоте использования. Благодаря технологии Silent Switcher 2, миниатюрный преобразователь LTC7150S отвечает самым строгим требованиям стандартов электромагнитной совместимости. Интегрированные MOSFET и функции контроля тепловых режимов позволяют надежно обеспечивать нагрузку непрерывными токами до 20 А при входных напряжениях до 20 В и частотах переключения до 3 МГц.

Материалы по теме