高功率密度系統需要怎樣的電流轉換器？

凌力爾特公司(現隸屬 Analog Devices 公司)

電源產品

高級產品市場工程師  Steve Knoth

高級設計工程師  Steve Zhou

背景信息

2016 年，不斷擴大的大電流、低壓數字 IC 市場規模達到了 92 億美元 [數據來源：Intense Research 公司]。這類數字 IC 包括微控制器和微處理器 (µC 和 µP)、可編程邏輯器件 (PLD)、數字信號處理器 (DSP)、專用集成電路 (ASIC)、和圖形處理器單元 (GPU)。此外，我們來看一下對這個市場中一個較大的細分市場——現場可編程門陣列 (FPGA) IC 的預期，2014 年，這個細分市場的規模為 39.2 億美元，預計到 2022 年將達到 72.3 億美元，從 2016 年到 2022 年，年復合增長率為 7.41% [數據來源：marketsandmarkets.com]。高功率密度數字 IC 幾乎已經進入了所有嵌入式系統。這類系統包括但不限于：工業、通信、電信、服務器、醫療、游戲、消費類音頻/視頻和汽車系統。在這些市場中，FPGA 正在使先進應用變為現實，例如，高級駕駛員輔助系統 (ADAS) 和防撞系統等消除人為差錯的汽車應用。此外，政府要求的安全功能，例如防鎖剎車系統、穩定性控制和電氣控制的獨立懸架系統都必須使用 FPGA。在消費類電子產品領域，對物聯網 (IoT)和機器至機器 (M2M) 通信的需求以及數據與服務器中心的增長，也是驅動 FPGA 市場增長的一些因素，需要存儲大量數據和進行云計算是數據和服務器中心增長的驅動因素。

這些基于高功率密度數字 IC 的系統對電源有一套獨特的要求。就目前這一代 FPGA 和 ASIC處理器而言，大電流、低電壓和快速瞬態響應相結合，對于給這些器件供電的電源提出了越來越嚴格的要求。這些數字 IC 很強大，但是從電源角度來看卻是不穩定的。傳統上，用來給這類器件供電的一直是具單獨大功率 MOSFET 的高效率開關穩壓器控制器，但是這類控制器有潛在的噪聲干擾、較慢的瞬態響應和布局限制問題。因此，近幾年來，最大限度減少熱量的低壓差穩壓器 (LDO) 一直被作為替代解決方案使用，但是這類穩壓器也不是沒有其自身的一些限制。不過，由于這一領域最新出現的產品創新，發展趨勢正在發生變化。較新型的大功率單片開關穩壓器不再需要進行性能折衷，并正在迅速得到采用。

開關穩壓器與充電泵及 LDO

低電壓、大電流降壓型轉換和調節可以通過各種方法和各種設計折衷來實現。就剛起步的人而言，開關穩壓器控制器以高效率運行，在很寬的電壓范圍內提供大電流，但是需要諸如電感器和電容器 (以及在控制器情況下的 FET) 等外部組件才能運行。無電感器充電泵 (或開關電容器電壓轉換器) 也可用來實現較低電壓的轉換，但是輸出電流能力受限，瞬態性能不佳，且與現行線性穩壓器相比，需要更多外部組件。因此，在數字 IC 電源應用中，不常見到充電泵。相反，線性穩壓器，尤其是 LDO，就非常簡單，因為這類穩壓器僅需要兩個外部電容器就可運行。然而，線性穩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載需要多大電流、以及封裝的熱阻特性。這就對線性穩壓器進入數字 IC 供電領域造成了限制。

大電流單片降壓型轉換器的設計挑戰

晶片制造技術線寬不斷變窄，嚴格遵循了摩爾定律 (最初構想于 1965 年)，因此要求數字 IC 以更低電壓運行。幾何尺寸更小的工藝允許在最終產品中集成更多需要大量功率的功能。例如，現代計算機服務器和通信路由系統需要更大的帶寬，以處理更多計算數據和互聯網流量。汽車有更多車載電子產品，以提供娛樂、導航、自助駕駛功能，甚至引擎控制。結果，系統電流消耗和所需的總功率增加了。因此，需要最先進的封裝和創新性內部電源級設計，以將電源 IC 中的熱量散出來，同時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需要考慮的挑戰。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，從而產生干凈和穩定的輸出。此外，在很寬的帶寬內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，噪聲靈敏度是設計時需要考慮的主要因素。隨著對高端 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，這類噪聲引起的數字故障極大地降低了有效數據吞吐速率。在大電流時，輸入電源噪聲顯然是一種重要但要求苛刻的性能規格。