基于Silent Switcher µModule稳压器,消除电源系统设计的“三高”焦虑

日期:2020-01-10
 
能源是人类生存、发展的基础,但随着经济的快速发展,能源消耗量持续增加,人类正面临着日益严重的能源短缺,这使得许多国际组织和各国政府正开始大力推行节能新策略。在电子产品包围生活的时代,电子产品的能耗便成了一个被关注的话题。随着越来越严格的能耗标准,如何设计出更高效率、更高性能的电源,对于电源设计工程师来说是一个永恒的挑战。
 
完整的电源系统必须具有高效率、适合放入空间拥挤的PCB,并且产生的输出噪声可与负载敏感度相匹配。平衡这些要求(通常彼此冲突)是电源系统设计人员面临的最主要的参数优化问题。通常,解决这个问题的办法是将开关稳压器(噪声大但效率高)与低压差(LDO)后级稳压器相结合,这样效率虽然相对较低,但是能够减少电源噪声。然而,在高噪声、大尺寸、高性能的“三高”平衡中,工程师通常陷入无休止的加班和焦虑中。
 
基于Silent Switcher μModule 稳压器,让噪声和效率焦虑成为过去
以ADI公司的AD9625为例,这是一款2.6 GSPS的ADC,它需要7个独立的电源轨,分为1.3 V、2.5 V和3.3 V三种电压。图1是一个典型系统的框图。


图1. 采用开关稳压器和LDO稳压器的GSPS ADC基准电源设计(传统设计)


图2是采用Silent Switcher μModule 稳压器的替代性电源系统。该设计采用两个Silent Switcher µModule稳压器LTM8065直接为AD9625供电,不仅能为ADC提供低噪声供电,,而且比传统解决方案效率更高。

图2. 传统开关稳压器和LDO电源系统(如图1所示)的替代方案
 
μModule器件与表贴IC类似,但它们还包括通常用于构建电源转换电路的所有必要支持器件,例如直流到直流控制器、MOSFET芯片、磁性元件、电容和电阻等,均安装在热效率高的层压衬底上,然后使用注塑帽进行封装,结果便得到一款可以简单地粘附到PCB的完整电源。

ADI公司的μModule产品系列按业内极高的质量标准构建,大大降低了成功设计高性能、高功率密度解决方案的风险、时间和精力。就好像我们把所有ADI的电源专业知识和专有技术都投入到类似IC尺寸的产品中。有些设计人员在设计电源转换电路时是有严格时间限制的,须在短短几周内投入量产,因此不得不加班加点,夜间进行电源调试直到次日凌晨是常有的事情。如果使用μModule稳压器代替“自己设计”(DIY)的分立解决方案,这样的情况就不会再出现。
 
图3是基于图2框图的替代性电源解决方案的完整原理图,该系统由两个LTM8065 μModule稳压器和一个ADP7118 LDO稳压器组成。LTM8065是一款40 V输入、2.5 A Silent Switcher μModule稳压器,采用耐热增强的紧凑式过压成型球栅阵列封装(BGA)封装。该模块中包含一个开关控制器、一个电感和其他支持元件。LTM8065支持 0.97 V至18 V的输出电压范围和200 kHz至3 MHz的开关频率范围,输出电压由单个外部电阻设置。仅需添加输入和输出滤波电容便可构成完整的稳压器。在这个解决方案中,LTM8065直接为1.3 V电源轨和2.5 V电源供电。3.3 V电源轨直接由ADP7118低噪声LDO从12 V电源调节供电。3.3 V轨电流小于1 mA,因此LDO稳压器上的功耗可忽略不计。

图3. 传统ADC电源系统的替代方案。这款完整的七电源轨解决方案可为AD9625 2.6 GSPS ADC供电。请注意,完整的原理图与图2框图没有太大区别。
 
大大压缩空间占用,基于μModule的电源是系统中安静的“小不点”
PCB面积是大多数设计的关键优先考虑事项,因为每个人都试图将更多的功能和性能集成到更小的空间中。传统开关稳压器加LDO的系统通常采用分立元件实现,导致PCB尺寸大且设计复杂,这违背了小尺寸和简化设计的目标。相比之下,采用μModule稳压器就可实现这些目标,因为在其封装内已集成了关键的稳压器元件,尤其是尺寸相对较大的电感,从而使解决方案的PCB非常紧凑。
 
此外,μModule稳压器通常能够处理足够大的负载,使设计人员能够在单个μModule输出上组合多个相同电压的电源轨。大电流能力使得在现有基于μModule稳压器设计中添加电源轨成为可能,简化设计修改,从而缩短产品上市时间。
 
为了说明μModule稳压器解决方案的尺寸优势,举个例子,在PCB上实现带LC滤波器、基于LTM8065的解决方案。将其电源部分的面积与现成的EVAL-AD9625评估板(使用基准电源设计)的电源部分进行比较。
 
图4显示了EVAL-AD9625标准评估板(基准电源)和修订版的AD9625评估板(带LC滤波器的LTM8065 μModule稳压器)的比较。使用LTM8065的电源解决方案的元件几乎全部都位于PCB的正面,而现成EVAL-AD9625评估板的为分立解决方案,其电源元件则需分布在正面(LDO稳压器)和背面(开关稳压器)两边。基于LTM8065的解决方案可减少70%以上的电源占位尺寸。表1比较了基于LTM8065的系统和基准电源系统的元件总数和元件占位尺寸。LTM8065解决方案使用的元件总数减少一半以上,占位尺寸只有一半左右。

图4.使用μModule Silent Switcher稳压器替代传统的控制器/稳压器时,电源所需的面积大大减少。
 
显而易见,LTM8065 μModule Silent Switcher稳压器可为AD9625 GSPS ADC供电,相比传统的分立式解决方案改进明显。通过使用LTM8065直接为AD9625的1.3 V和2.5 V电源轨供电,可以显著减少元件数量和电源板尺寸。
 
表1. 不同方案的电源部分元件总数和占位总面积

 
值得一提的是,ADI不仅实现与竞争解决方案的性能超越,更不断实现“自我革命”式的快速方案迭代。同样为实现0.8V@100A的FPGA供电系统,2010 年时采用当时业界领先的LTM4601需要12片,2012年时需要4片LTM4620,2014年发布的LTM4630只要3片,2016年两片LTM4650 就能达到目标,而去年推出的新品LTM4700一块即可实现。8年实现了12倍功率密度的提升。
 
LTM4700是一款支持单路100 A输出的μModule器件,也可以用作双路50 A输出。当从12 V至1 V降压转换中提供100 A 输出且气流仅为200 LFM时,其转换效率为89.6%。并且它在整个温度范围内具有±0.5%的最大直流误差。除了可支持双路50 A或单路100 A输出外,LTM4700还集成了PMBus I2C接口或电源系统管理。

图5.最新LTM4700实现单通道100A(双通道50A)输出电流能力。
 
结论
近年来,由于竞争压力加大产品上市时间压力急剧增加。电源设计人员必须在几周内,甚至几天内完成电源转换电路的设计并让其有效运行。ADI公司的 μModule产品可以提供经过验证、简单且成熟的电源转换解决方案,这或许将能够拯救出在实验室挑灯夜战进行电源测试的设计者们,并实现在综合成本和性能上实现独树一帜的竞争优势。

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