高功率密度系统需要怎样的电流转换器？

凌力尔特公司(现隶属 Analog Devices 公司)

电源产品

高级产品市场工程师  Steve Knoth

高级设计工程师  Steve Zhou

背景信息

2016 年，不断扩大的大电流、低压数字 IC 市场规模达到了 92 亿美元 [数据来源：Intense Research 公司]。这类数字 IC 包括微控制器和微处理器 (µC 和 µP)、可编程逻辑器件 (PLD)、数字信号处理器 (DSP)、专用集成电路 (ASIC)、和图形处理器单元 (GPU)。此外，我们来看一下对这个市场中一个较大的细分市场——现场可编程门阵列 (FPGA) IC 的预期，2014 年，这个细分市场的规模为 39.2 亿美元，预计到 2022 年将达到 72.3 亿美元，从 2016 年到 2022 年，年复合增长率为 7.41% [数据来源：marketsandmarkets.com]。高功率密度数字 IC 几乎已经进入了所有嵌入式系统。这类系统包括但不限于：工业、通信、电信、服务器、医疗、游戏、消费类音频/视频和汽车系统。在这些市场中，FPGA 正在使先进应用变为现实，例如，高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 和防撞系统等消除人为差错的汽车应用。此外，政府要求的安全功能，例如防锁刹车系统、稳定性控制和电气控制的独立悬架系统都必须使用 FPGA。在消费类电子产品领域，对物联网 (IoT)和机器至机器 (M2M) 通信的需求以及数据与服务器中心的增长，也是驱动 FPGA 市场增长的一些因素，需要存储大量数据和进行云计算是数据和服务器中心增长的驱动因素。

这些基于高功率密度数字 IC 的系统对电源有一套独特的要求。就目前这一代 FPGA 和 ASIC处理器而言，大电流、低电压和快速瞬态响应相结合，对于给这些器件供电的电源提出了越来越严格的要求。这些数字 IC 很强大，但是从电源角度来看却是不稳定的。传统上，用来给这类器件供电的一直是具单独大功率 MOSFET 的高效率开关稳压器控制器，但是这类控制器有潜在的噪声干扰、较慢的瞬态响应和布局限制问题。因此，近几年来，最大限度减少热量的低压差稳压器 (LDO) 一直被作为替代解决方案使用，但是这类稳压器也不是没有其自身的一些限制。不过，由于这一领域最新出现的产品创新，发展趋势正在发生变化。较新型的大功率单片开关稳压器不再需要进行性能折衷，并正在迅速得到采用。

开关稳压器与充电泵及 LDO

低电压、大电流降压型转换和调节可以通过各种方法和各种设计折衷来实现。就刚起步的人而言，开关稳压器控制器以高效率运行，在很宽的电压范围内提供大电流，但是需要诸如电感器和电容器 (以及在控制器情况下的 FET) 等外部组件才能运行。无电感器充电泵 (或开关电容器电压转换器) 也可用来实现较低电压的转换，但是输出电流能力受限，瞬态性能不佳，且与现行线性稳压器相比，需要更多外部组件。因此，在数字 IC 电源应用中，不常见到充电泵。相反，线性稳压器，尤其是 LDO，就非常简单，因为这类稳压器仅需要两个外部电容器就可运行。然而，线性稳压器的功率也许受限，这取决于该 IC 两端的输入至输出电压差大小和负载需要多大电流、以及封装的热阻特性。这就对线性稳压器进入数字 IC 供电领域造成了限制。

大电流单片降压型转换器的设计挑战

晶片制造技术线宽不断变窄，严格遵循了摩尔定律 (最初构想于 1965 年)，因此要求数字 IC 以更低电压运行。几何尺寸更小的工艺允许在最终产品中集成更多需要大量功率的功能。例如，现代计算机服务器和通信路由系统需要更大的带宽，以处理更多计算数据和互联网流量。汽车有更多车载电子产品，以提供娱乐、导航、自助驾驶功能，甚至引擎控制。结果，系统电流消耗和所需的总功率增加了。因此，需要最先进的封装和创新性内部电源级设计，以将电源 IC 中的热量散出来，同时提供前所未有的大功率。

较大的电源抑制比 (PSRR) 和较低的输出电压噪声或纹波需求是另外两项需要考虑的挑战。具较大电源抑制比的器件能够更容易地在输入端滤除和抑制噪声，从而产生干净和稳定的输出。此外，在很宽的带宽内具较低输出电压噪声或较低输出纹波的器件有利于给如今的新式低噪声轨供电，在这类轨中，噪声灵敏度是设计时需要考虑的主要因素。随着对高端 FPGA 速度要求的提高，电源噪声容限在不断降低，以最大限度减少误码。就这类高速 PLD 而言，这类噪声引起的数字故障极大地降低了有效数据吞吐速率。在大电流时，输入电源噪声显然是一种重要但要求苛刻的性能规格。