高功率密度數字IC呼喚新一代電源穩壓器

復雜的高功率密度數字集成電路 (IC)，例如圖形處理器單元 (GPU) 和現場可編程門陣列 (FPGA)，可以在各種功能豐富的電子環境中找到，包括汽車、醫療、電信、數據通信、工業、通信、游戲和消費類音頻/視頻。高功率密度的數字 IC 幾乎已經滲透到每一個嵌入式系統中。

憑借這種市場滲透率，全球對大電流、低電壓數字 IC 的需求呈爆炸式增長也就不足為奇了。目前的全球市場估計超過 18 億美元，預計在 2018 年至 2025 年期間，這一數字將以每年 10.87% 的速度增長，達到 37 億美元。

作為該市場的最大份額之一，FPGA 預計到 2025 年底將占 15.3 億美元。數字 IC 市場的其余部分由 GPU、微控制器和微處理器、可編程邏輯器件 (PLD)、數字信號處理器 ( DSP)和專用集成電路(ASIC)。

FPGA 支持上述細分市場中的尖端應用。例如，在汽車應用中，高級駕駛員輔助系統 (ADAS) 和防撞系統可防止人為錯誤造成的災難。同樣，政府規定的安全功能，如防抱死制動系統、穩定性控制和電子控制的獨立懸架系統，也需要 FPGA 才能發揮作用。

這些數字 IC 功能強大，但也有個性，尤其是在電源要求方面。傳統上，驅動大功率 MOSFET 的高效開關穩壓器控制器已被用于為 FPGA 和 ASIC 供電，但這些基于控制器的電源方案存在潛在的噪聲干擾問題、相對較慢的瞬態響應和布局限制。

開關穩壓器與電荷泵與 LDO 穩壓器

可以通過多種方法實現低電壓、大電流降壓轉換和調節，每種方法都有自己的性能和設計權衡。開關穩壓器控制器在寬電壓范圍內的高負載電流下具有高效率，但它們需要多個外部組件(如電感器、電容器和 FET)才能運行，并且它們可能是高頻和低頻噪聲的來源。無電感電荷泵(或開關電容電壓轉換器)也可用于產生低電壓，但輸出電流能力有限，瞬態性能較差，并且需要多個外部組件。由于這些原因，電荷泵在數字 IC 電源應用中并不常見。

線性穩壓器——尤其是 LDO 穩壓器——很簡單，因為它們只需要兩個外部電容器即可工作。但是，它們可能會受到功率限制，具體取決于 IC 上輸入至輸出電壓差的大小、負載需要多少電流以及封裝的熱阻特性。這無疑限制了它們為數字 IC 供電的能力。

單片降壓轉換器設計挑戰

自 1965 年首次亮相以來，摩爾定律已被證明是有遠見且有效的。晶圓制造技術的線寬不斷減小，從而將數字 IC 電壓推低。更小的幾何工藝允許在最終產品中更高地集成更多耗電功能。

例如，現代計算機服務器和光通信路由系統需要更高的帶寬來處理更多的計算數據和互聯網流量;這些系統也會產生大量熱量，因此需要高效的 IC。汽車擁有更多用于娛樂、導航、自動駕駛功能甚至發動機控制的車載電子設備。因此，系統的電流消耗和所需的相關總功率都會增加。因此，需要最先進的封裝和創新的內部功率級設計來將熱量從功率 IC 中排出，同時提供前所未有的功率。

高電源抑制比 (PSRR) 和低輸出電壓噪聲或紋波是重要的考慮因素。具有高電源抑制的設備可以過濾和抑制輸入端的噪聲，從而產生干凈穩定的輸出。此外，需要在寬帶寬或低輸出紋波上具有低輸出電壓噪聲的電源解決方案——現代數字系統有多個電源軌，其中噪聲敏感性是主要的設計考慮因素。

隨著高端 FPGA 速度要求的提高，電源噪聲容限會降低，以盡量減少誤碼。噪聲引起的數字故障會大大降低這些高速 PLD 的有效數據吞吐速度。大電流下的輸入電源噪聲是對電源要求更高的規格之一。

例如，由于精細幾何電路開關的高功耗，FPGA 中更高的收發器速度決定了高電流水平。這些 IC 速度很快。它們可以在幾十到幾百納秒內將負載電流從接近零循環到幾安培，需要具有超快瞬態響應的穩壓器。

隨著為電源穩壓器保留的電路板面積不斷減少，許多系統設計人員轉向以快速開關頻率運行的單片開關穩壓器，以減小外部組件的尺寸和總解決方案的尺寸——接受因開關損耗而導致的一些效率損失的權衡在更高的頻率。

新一代單片開關穩壓器消除了這種權衡。這些新型穩壓器具有集成高側和低側開關的同步操作，允許嚴格控制開關柵極電壓，大大減少死區時間，即使在高頻下也能實現更高的效率。

很明顯，用于高性能數字 IC 的降壓轉換器解決方案必須具備以下屬性：

快速開關頻率以最大限度地減小外部元件的尺寸

零死區時間設計可最大限度地提高高頻效率

用于更小的解決方案尺寸的單片芯片板載功率器件

多相操作，以實現高輸出電流和降低紋波的并行操作

低 EMI 可滿足低系統噪聲要求

同步運行以實現高效率和最小功率損耗

易于設計以簡化設計周期、認證和測試

極低的輸出紋波

快速瞬態響應時間

在寬輸入/輸出電壓范圍內工作

高輸出電流能力

優良的熱性能

占地面積小

傳統上，數字 IC 由 LDO 穩壓器或基于電感的開關穩壓控制器和板外電源設備供電。隨著電源性能和空間要求的提高，在許多情況下，這些傳統方法無法滿足這些要求。

以 ADI 的新一代單片電源為例，包括分別支持 10A、6A、4A 和 3A 的 LTC3310S、LTC3309A、LTC3308A 和 LTC3307A，都可以勝任這項任務。這些高功率密度的 Silent Switcher 和 Silent Switcher 2 降壓穩壓器采用熱效率高、緊湊的倒裝芯片層壓封裝，并提供各種功能集以滿足各種數字 IC 電源問題的要求。