繪圖處理器(GPU)、現場可編程閘陣列(FPGA)等先進的高功率密度數位IC常見於功能豐富的電子環境中,包括汽車、醫療、電信、數據通訊、工業、通訊、遊戲,以及消費類音訊/視訊等。

有鑑於這一市場的高滲透率,全球對於高電流低壓數位IC的需求爆發也就不足為奇了。目前全球市場規模預估超過18億美元,預計在2018年至2025年期間將以10.87%的年成長率快速累積達到37億美元。FPGA預計將在這一市場佔據最大份額,並將於2025年底達到15.3億美元的市場規模。數位IC市場的其他代表產品還包括GPU、微控制器(MCU)和微處理器、可編程邏輯元件(PLD)、數位訊號處理器(DSP)和特定應用積體電路(ASIC)等。

高功率密度數位IC幾乎已經滲透至所有的嵌入式系統中。FPGA可在上述市場領域實現先進應用。例如,在汽車應用中,先進駕駛輔助系統(ADAS)和防撞系統可以預防因人為錯誤而引起的災難。同樣的,政府規定的安全功能(諸如防鎖死煞車系統、穩定性控制和電子控制的獨立懸吊系統等)也需要FPGA發揮作用。

在消費性電子產品領域,實現物聯網(IoT)的功能、複雜的繪圖引擎功能和機器對機器(M2M)功能的要求,都對於先進數位IC帶來迫切的需求。大量的數據儲存、雲端運算中心以及光網路模組的擴展網路,亦驅動著對於FPGA和數位IC的需求。

這些數位IC功能強大,但要求嚴苛,特別是在電源需求方面。傳統上,為FPGA和ASIC供電一直是採用高效切換開關穩壓控制器來驅動高功率MOSFET,但是這些基於控制器的電源配置事實上存在著潛藏的雜訊干擾、相對較慢的瞬態響應和佈局限制等問題。近年來,可最大限度減少熱量且安靜的小型低壓差(LDO)穩壓器已經被用來做為替代方案,但它仍然存在自身的局限性。最近的電源轉換創新導入了高功率單晶片開關穩壓器,能夠為數位IC有效供電,兼具低雜訊和高效率,同時還可最大限度地降低了空間需求。

開關穩壓器、電荷泵與LDO穩壓器的比較

實現低電壓、高電流降壓轉換與調節可採用多種方法,每一種方法都有各自的性能和設計權衡。開關穩壓控制器能夠在寬廣電壓範圍和高負載電流下實現高效率,但它們需要多個外部元件(如電感、電容和FET)才能運作,而這些元件可能會成為高頻和低頻雜訊的來源。無電感電荷泵(或開關式電容電壓轉換器)也可以用來產生低電壓,但其輸出電流能力受限,瞬態性能較差,並且需要多個外部元件。因此,電荷泵在數位IC電源應用中並不常見。

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即可運作。但是,它們的功率可能有限,這取決於IC兩端輸入到輸出的電壓差大小、負載所需電流的大小以及封裝的熱阻特性。這無疑限制了它們為數位IC供電的能力。

單晶片降壓轉換器的設計挑戰

摩爾定律自1965年問世以來,其前瞻性和有效性一再獲得驗證。晶圓製造技術的線寬不斷縮小,持續降低了數位IC的電壓。更小的幾何製程可以在最終產品中高度整合更多的高耗電特性。

例如,現代電腦伺服器和光通訊路由系統需要更高頻寬來處理更多的運算資料和網際網路流量;這些系統還會產生大量的熱,因此需要高效率的IC。汽車配備更多的車載電子設備,用於娛樂、導航、自動駕駛功能以及甚至引擎控制。於是,系統的電流消耗和相對應的總功耗都隨之增加,因此,需要先進的封裝和內部電源級的創新設計,才能將熱量驅散於電源IC之外,同時提供更高的功率。

高電源抑制比(PSRR)和低輸出電壓雜訊(或漣波)都是重要的考慮因素。具有高電源抑制比的元件可以濾除和抑制輸入雜訊,從而獲得乾淨穩定的輸出。此外,電源解決方案需要在較寬的頻寬範圍內實現低輸出電壓雜訊(或低輸出漣波),因為現代數位系統具有多個電源軌,其中雜訊靈敏度是設計的主要考慮因素。

隨著高階FPGA對速度的要求提高,電源雜訊容差逐漸降低以將誤碼降至最低。雜訊引起的數位故障會大幅降低這些高速PLD的有效資料傳輸速率。在高電流下的輸入電源雜訊則成為更嚴格的電源規格之一。

由於精準的幾何電路開關會產生高功耗,因此收發器的速率越高(例如在FPGA中),電流級便越高。這些IC速度很快,它們可能在幾十至幾百奈秒(ns)內使負載電流從接近零到數安培循環,因此需要使用超快速瞬態響應的穩壓器。

隨著保留給電源穩壓器的電路板面積不斷減少,許多系統設計人員轉而使用切換頻率更快的單晶片開關穩壓器,從而減小外部元件和整體解決方案的尺寸——但是這麼做所須接受的一個妥協是,高頻下的切換損耗會導致某些效率損耗。使用新一代單晶片開關穩壓器可避免這種權衡取捨。這些新的穩壓器整合了高側和低側開關,具有同步操作功能,可以嚴格控制開關閘極電壓,大幅縮短當機時間,即使在高頻率下也可以實現更高效率。

高電流單晶片開關的最大挑戰之一在於其是否能將IC內部功率損耗所產生的熱量耗散出去。這一個難題可以透過使用多個電源和接地接腳,以及帶有銅(Cu)柱的增強散熱層壓式封裝加以解決,該封裝可以輕鬆地將熱從IC傳輸到電路板上。在電路板上的較大銅平面連接至這些電源接腳,從而使得熱耗散更均勻。

適合高性能數位IC的降壓轉換器

顯然地,適合高性能數位IC的降壓轉換器解決方案必須具有以下特性:

  • 快速切換頻率,可縮減外部元件的尺寸至最小
  • 零當機時間的設計,使高頻效率最大化
  • 單晶片板載電源元件,實現更小尺寸的解決方案
  • 多相操作支援並聯操作,從而實現高輸出電流並減少漣波
  • 低EMI,以滿足低系統雜訊要求
  • 同步操作,可實現高效率和最低功率損耗
  • 設計簡單,以縮短設計週期並簡化認證與測試
  • 極低輸出漣波
  • 快速瞬態響應時間
  • 可在寬廣輸入/輸出電壓範圍內操作
  • 高輸出電流能力
  • 卓越的散熱性能
  • 精巧的尺寸

例如ADI的Power by Linear LTC33xx系列單晶片電流降壓穩壓器均具備這些特性。最高電流元件LTC3310S是一款5V、10A的高功率密度、低EMI的單晶同步降壓轉換器,採用9mm2封裝(功率密度=1.11A/mm2)。該款元件的固定頻率峰值電流模式架構非常適合要求快速瞬態響應的應用。LTC3310S採用具備整合熱迴路旁路電容的Silent Switcher 2架構,可在高達5MHz的頻率下實現高效率、小佔位面積的解決方案以及出色的EMI性能。多相操作支援最多四個元件直接並聯,可提供高達40A的輸出電流。

LTC3310S的2.25V至5.5V輸入範圍支援眾多應用,包括大多數中間匯流排電壓。整合的低導通電阻MOSFET可提供高達10A的連續負載電流,且熱降額極少。0.5V至VIN的輸出電壓範圍非常適合負載點應用,例如高電流、低電壓的DSP/FPGA/GPU/ASIC設計。其他主要應用包括光網路、電信/數據通訊、汽車系統、分佈式電源架構以及任何中、高功率密度系統。圖1顯示其典型設計非常簡潔,而圖2則說明實現4相40A配置是非常簡單的。

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圖1:LTC3310S的典型應用。

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圖2:並聯4個LTC3310S單晶片穩壓器,形成一個4相40A降壓穩壓器。

高效率、低EMI和快速瞬態響應

Silent Switcher降壓穩壓器設計可在高切換頻率(>2MHz)時提供高效率以及超低電磁干擾(EMI)輻射,因而能夠實現非常精巧且低雜訊的降壓解決方案。Silent Switcher系列採用特殊的設計和封裝技術,可在2MHz下實現>92%的效率,同時可以輕鬆符合CISPR 25 Class 5的峰值EMI限制。新一代Silent Switcher 2技術的內部結構採用銅柱代替鍵合線,增加了內部旁路電容,而整合式基底接地平面可以進一步提高EMI,使其對PCB佈局較不敏感,進而簡化設計並降低性能風險。

該IC整合了VIN陶瓷電容,可以保持所有快速交流(AC)電流迴路都很小,從而改善了EMI性能。該技術支援快速切換邊緣,在高切換頻率下可提供高效率,同時實現良好的EMI性能(請參見圖3圖4圖5)。此外,它還能實現更快速、更乾淨的低過衝切換邊緣,進而大幅提升在高切換頻率時的效率。圖6以LTC3310S為例顯示其高效率性能。

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圖3: CISPR 25傳導EMI輻射,符合Class 5峰值限制(電壓法)。

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圖4:水平極性輻射發射。

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圖5:垂直極性輻射發射。

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圖6:LTC3310S效率性能。

對於更高的功率密度而言,第一代Silent Switcher架構是一個很好的解決方案。Silent Switcher拓撲與Silent Switcher 2拓撲類似,只是VIN旁路電容位於外部,而不是位於塑膠密封的覆晶晶片層壓式封裝內部。為了完全實現Silent Switcher的低EMI性能,需將外部VIN旁路電容對稱放置於封裝外部。這種電容分離式的對稱放置可以最大限度地減少熱迴路的實際面積,進而降低EMI並縮小封裝佔位尺寸。

5V輸入穩壓器LTC3309A、LTC3308A和LTC3307A即採用第一代Silent Switcher架構,可分別支援6A、4A和3A,實現高功率密度、低EMI單晶片降壓轉換。其操作頻率均可達3MHz,封裝尺寸為4mm2 (LTC3309A的功率密度=1.5A/mm2)。

圖7顯示一個LTC3309A的典型應用。固定頻率峰值電流模式架構非常適於快速瞬態響應,包括Burst Mode運作期間的快速瞬態響應(參見圖8)。LTC3309A採用Silent Switcher架構,並利用了外部熱迴路旁路電容。該設計可在高操作頻率下實現高效率、小佔位面積的解決方案和出色的EMI性能。

該系列輸入電壓範圍為2.25V至5.5V,可支援多種應用,包括大多數中間匯流排電壓,並與鋰電池和鎳電池類型相容。整合式低導通電阻MOSFET可提供高達6A的連續負載電流。0.5V至VIN的輸出電壓範圍非常適合負載點應用,例如高電流/低電壓DSP/FPGA/GPU/ASIC參考設計。其他主要應用另包括電信/數據通訊和汽車系統、分佈式電源架構和通用電源系統。

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圖7:LTC3309A典型應用電路。

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圖8: LTC3309A在高載模式工作時的瞬態響應。

總結

得益於晶圓製造技術的線寬微縮,高性能數位IC(例如GPU、FPGA和微處理器)快速湧現電流需求迅速提高而工作電壓下降的發展趨勢。電流和電壓需求只是整個電源設計的一個部份。數位IC的進步還提出了許多其他要求,包括快速瞬態響應、低EMI、低雜訊/漣波,以及高效工作以減少熱量。

傳統上,數位IC採用LDO穩壓器或基於電感的開關穩壓控制器以及外接電源裝置供電。隨著對電源性能和尺寸要求的提高,在許多情況下,這些傳統方法開始面臨挑戰。新一代單晶片電源可望勝任這項任務,例如高功率密度的Silent Switcher和Silent Switcher 2降壓穩壓器採用高散熱效率、精巧的覆晶層壓式封裝,並具有多種特性組合,可滿足多種數位IC電源問題的需求。

(參考原文:High-power-density digital ICs call for a new generation of power regulators,by Steve Knoth)

本文同步刊登於電子技術設計雜誌2020年1月號