如何为 FPGA 和 ASIC 提供外形小巧、低噪声、高功率密度的器件

在汽车、医疗、电信、工业、游戏和消费类音频/视频等应用的嵌入式系统中，需要大电流的数字 IC（例如 FPGA 和 ASIC）正在成为一个越来越常见的核心组件。这样应用中有许多是任务关键型应用（例如汽车驾驶辅助系统 [ADAS]）和高可靠性应用（例如数据中心）。

除电流要求外，这些低电压器件还对电源轨的公差规格提出了严格的要求。提供高效、准确、快速瞬态性能、稳定和低噪声的电源对于系统性能和完整性至关重要。

传统的开关稳压器控制器和电源子系统都有潜在的噪声问题，这些噪声出现在输出轨上，或以辐射电磁干扰 (EMI) 和射频干扰 (RFI) 的形式出现，此外，还有瞬态响应不足和布局局限性等问题。为了最大限度减少噪声，一些应用使用小型、安静的低压差 (LDO) 稳压器，与早期的 LDO 稳压器相比，效率有所提高。然而，即使是这些 LDO 稳压器，通常也无法满足系统效率要求，从而导致散热问题。

开关稳压器是 LDO 稳压器的高效替代方案，但这些器件由于具有时钟和开关功能而天生就有高噪声问题。如果设计人员想要充分利用这些开关器件，就需要减少这些噪声。

幸运的是，可以采用一些新的方法在噪声与效率之间取得平衡。本文将介绍电源转换设计方面的最新创意，这些创新具有高效率和非常小的空间需求，并大幅减少了开关稳压器的噪声。文中将探讨创新的开关稳压器如何满足个位数电压、10 A 以下范围内负载的多个目标，并以 Analog Devices 推出的 LTC33xx 系列为例介绍微型 Silent Switcher IC。

电流/电压的要求

随着晶体管和 IC 在 20 世纪下半叶问世并不断改进，它们展示了很多优点，其中之一是，与其所取代的真空管相比各项功能的功率需求非常低——很可能是前者的 100 分之一甚至更少。然而，这一进步很快导致每个器件和电路板的功能密度增大，以至于 IC 现在每个电源轨都需要数十 A 的电流，而且往往多个电源轨都是如此。

在需要这些大电流的 IC 中，最终必须以热量形式耗散大量电能的是现场可编程门阵列 (FPGA) 和应用特定的 IC (ASIC)。这两者都广泛应用于整个电子行业的各种嵌入式器件，包括汽车、医疗、工业、通信、游戏和消费类音频/视频器件。

FPGA 或 ASIC 所需的电流可以由 AC/DC 转换器（用于线路供电的器件）或 DC/DC 转换器（用于电池供电的器件）提供。在这两种情况下，后续都需要使用一个 DC/DC 降压稳压器，以所需的电流水平为负载提供并管理个位数的电源轨电压。

为了提供所需的电源，其中一种方法是使用单个 DC/DC 降压稳压器支持所有的电路板器件，并将其放在 PC 板的边角，以帮助管理散热问题并简化 DC/DC 系统级架构。

不过，这种听起来简单的解决方案也有其问题：

• 首先，由于距离和高电流水平，稳压器与负载之间会不可避免地出现 IR 压降（ΔV 压降 = 负载电流 I × 印制线电阻 [R]）。解决这一问题的办法是增大 PC 板印制线的宽度或厚度，或者使用立式母线，但这两种办法都会占用宝贵的电路板空间，并增加物料清单 (BOM) 的项目。
• 在负载处使用远程电压感测是一种克服 IR 压降的技术，但只适用于单点、非分散的负载。这种技术还会带来新的潜在振荡问题，因为更长的电源轨和感测引线的电感会影响稳压器和电源轨的瞬态性能。
• 最后，也是通常最难解决的问题是，更长的电源轨还会拾取更多的 EMI/RFI 噪声，或者更容易沿其长度方向辐射噪声，就像天线一样。解决办法通常需要采用额外的旁路电容器、在线铁氧体磁珠以及其他措施。根据其幅度和频率，这种噪声会对负载的可靠运行产生不利影响，并且难以满足关于噪声排放的各种监管规定。

要噪声还是要效率的两难选择

需要注意的是，DC/DC 稳压器的“要噪声还是要效率”两难选择不同于工程设计中通常进行的权衡。后者往往是评估相关利弊，并在各种有利与不利因素之间找到平衡的“甜点”。

这种情况有什么不同呢？在大多数权衡场景中，设计人员可以沿着连续的权衡轴有意地牺牲部分所需的参数值来换取更多的另一个参数值（图 1，上图）。

图 1：在大多数设计情况中，工程师可以进行评估，然后沿着一个相当连续的路径进行各种性能权衡（上图），但对于开关稳压器与 LDO 的噪声/效率，设计最终只能二选一，几乎没有“中间地带”（下图）。（图片来源：Bill Schweber）

例如，设计人员可以选择一个消耗更多电流（缺点）的运算放大器，以提供比其他运算放大器更高的压摆率（有点）；在应用中作出这种权衡是可接受的，也是必要的。

但对于开关稳压器和 LDO，它们的噪声和效率属性已在很大程度上“固化”于其结构中。例如，设计人员不能选择接受一个噪声增加 20% 的 LDO，以换取 10% 的效率提升——这种类型的权衡不存在。事实上，这种属性权衡跨度中存在一个缺口（图 1，下图）。

Silent Switcher 稳压器解决了这一权衡难题

另一种通常更好的解决办法是在尽可能靠近负载 IC 的位置，使用单独的 DC/DC 稳压器。这样可以最大限度减小 IR 压降、PC 板基底面以及电源轨噪声拾取和辐射。不过，为使这种方法可行，就必须采用可以放置于负载旁但依然满足所有电流要求的小巧、高效、低噪声稳压器。

这是许多 Silent Switcher 稳压器能解决问题的原因所在。这些稳压器采用多项设计创新，不仅能以几 A 到 10 A 的电流水平提供个位数的电压输出，同时还能实现极低的噪声。

这些稳压器利用 Silent Switcher 1（第一代）和 Silent Switcher 2（第二代）器件，改变了人们对 LDO 与开关稳压器之间差距的传统认知。这些器件的设计人员发现了多个噪声源，并设计了方法来减弱每个来源的噪声。

请注意，Silent Switcher 稳压器不使用众所周知的合法“扩频”技术，也就是在时钟信号中加入伪随机噪声。这样可以拓宽噪声频谱，同时降低其在时钟频率下的振幅及其谐波。尽管使用扩频时钟有助于满足监管限制，但不能减少总噪声能量，事实上，这样可能导致部分频谱中产生一些噪声，进而影响电路性能。

Silent Switcher 1 器件的优点包括低 EMI、高效率和高开关频率，后者可将许多残余噪声移出会干扰系统运行或产生监管问题的频谱部分。Silent Switcher 2 则在 Silent Switcher 1 技术的所有特性之外增加了一些优点，如集成式精密电容器、更小的解决方案尺寸，以及消除了对 PC 板布局的敏感性。

由于极小的外形尺寸（仅几毫米 [mm] 见方）和高效率，这些开关可以置于非常靠近负载 FPGA 或 ASIC 的位置，因此最大限度提高了性能，并消除了规格书性能规格与实际使用情况之间的不确定性。它们改变了选择接受更多噪声还是更低效率的“二元”困境，使设计人员能够在低噪声与高效率这两种属性之间做到鱼与熊掌兼得。

Silent Switcher 是如何实现这些优点的？其间的秘诀在于采用多层面的方法：

• 开关模式电源产生噪声的主要原因是开关电流，而不是稳态电流。在传统开关稳压器的拓扑中，有一个被称为热环路的电流路径。此热环路并不是一个独立的电流环路，而是由两个真实电流环路的某些部分组成的虚拟电流环路（图 2）。

图 2：常用开关稳压器拓扑具有一个虚拟电流环路，称为热环路；它由两个真实电流环路的某些部分组成，并具有开关电流。（图片来源：Analog Devices）

Analog Devices 的 Silent Switcher 2 技术在 IC 封装中集成了输入电容器，以尽可能减小关键热环路的尺寸。此外，通过将热环路拆分成两个对称的形状，产生了两个极性相反的磁场，辐射噪声在很大程度上得以自行抵消。

• 第二代架构支持快速切换边缘，因此能够在高开关频率下实现高效率，同时实现良好的 EMI 性能。DC 输入电压 (V_IN) 采用内部陶瓷电容器，可确保所有快速 AC 电流环路够小，从而提高 EMI 性能。
• Silent Switcher 架构采用专有的设计和封装技术，可在极高频率下最大程度提升效率并支持超低 EMI 性能，以极其紧凑和稳健的设计，轻松通过了 CISPR 25 Class 5 峰值 EMI 限制。
• 它采用有源电压定位 (AVP) 技术，其中输出电压取决于负载电流。在轻负载时，将输出电压调节到标称值以上，而在满负荷时，将输出电压调节到标称值以下。对 DC 负载调节进行了调整，以提高瞬态性能并降低输出电容器要求。

Silent Switcher 的众多系列

Silent Switcher 稳压器分为许多系列和型号，每个系列具有不同的额定电压/电流。其他一些考虑因素因型号而异，例如固定输出还是可调输出。LTC33xx 系列的成员包括：

• LTC3307：5 V、3 A 同步降压 Silent Switcher，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封装
• LTC3308A：5 V、4 A 同步降压 Silent Switcher，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封装
• LTC3309A：5 V、6 A 同步降压 Silent Switcher，采用 2 mm × 2 mm LQFN 封装
• LTC3310：5 V、10 A 同步降压 Silent Switcher 2，采用 3 mm × 3 mm LQFN 封装

更仔细地观察 LTC3310 会发现，这是一款非常小的低噪声单芯片 DC/DC 降压转换器，能够使用 2.25 至 5.5 V 的输入电源提供高达 10 A 的输出电流；V_OUT 范围为 0.5 V 至 V_IN。开关频率从 500 kHz 到 5 MHz 不等。它只需几个外部无源元器件，能够在其大部分输出负载范围内实现约 90% 的效率（图 3）。

图 3：LTC3310 DC/DC 降压稳压器需要外部有源元器件，能够在其大部分负载范围内提供高效率。（图片来源：Analog Devices）

它有四个基本版本。这些器件能够在高达 5 MHz 的开关频率下实现低 EMI 和高效率，部分 LTC3310 系列版本还通过了 AEC-Q100 汽车认证。请注意，第一代 (SS1) 器件 LTC3310 以及第二代 (SS2) 器件 LTC3310S 和 LTC3310S-1 都可同时提供可调输出和固定输出版本（表 1）：

表 1：LTC3310 有四个基本版本，代表第一代设计和第二代设计以及固定输出和可调输出。（图片来源：Analog Devices）

对于可调版本，输出电压通过输出引脚与反馈 (FB) 引脚之间的电阻分压器进行硬编程，并使用简单的方程来确定正确的电阻值（图 5）。

图 5：只需使用基于简单方程的基本电阻分压器网络，即可建立可调式 LTC3310 器件的输出电压。（图片来源：Analog Devices）

噪声水平通常仅为几十 μV。LTC3310 器件低噪声性能的两个关键指标是按照相关的 CISPR25 Class 5 峰值限制执行的噪声测试，包括传导噪声（图 6）及水平平面和垂直平面的辐射噪声（图 7）。

图 6：基于 LTC3310S 正确排列的稳压器符合严格的 CISPR25 传导 EMI 放射（Class 5 峰值）限制。（图片来源：Analog Devices）

图 7：对于辐射放射测试，LTC3310S 同时符合 CISPR25 规定的水平平面（左）和垂直平面（右）EMI 要求。（图片来源：Analog Devices）

LTC3310 系列还有一个值得注意的特性，那就是可以轻松并联使用这些器件，以实现多相高电流运行，而很多其他的开关稳压器并不支持或只能勉强支持这一功能。最简单的并联适用于两相运行，可产生高达 20 A 的电流（图 8）。这种方法可以轻松扩展到三相、四相甚至更多相，并相应产生更高的电流。

图 8：使用几个额外的元器件，可以将两个或更多 LTC3310 器件组合在一起，以实现多相高电流运行；图中所示的是两相/20 A 配置。（图片来源：Analog Devices）

评估板缩短了设计周期

由于没有任何初始化寄存器、软件控制功能或其他复杂设置，LTC3310 器件之类的稳压器可以直接用于应用中。尽管如此，在交付最终布局或 BOM 规格之前，能够评估这些稳压器的静态性能和动态性能并优化无源元器件值，在技术层面也是有意义的。LTC3310 评估板的问世大大简化了这一过程。Analog Devices 针对各种 LTC3310 版本和配置提供了相应的评估板：

• DC3042A 支持可调输出 LTC3310 器件（图 9）。

图 9：DC3042A 评估板专为 LTC3310 而设计，支持用户设置输出电压。（图片来源：Analog Devices）

除了引导用户完成基本设置和操作以外，说明文档中还包含原理图、板布局和物料清单 (BOM)。除外，它还标出了各个测试点和连接，以及用来测量输出纹波和阶跃响应的探头布置（图 10）。

图 10：DC3042A 用户演示手册清楚地列出了测试点和连接（顶部），以及用来测量输出纹波和阶跃响应的探头设置和配置。（图片来源：Analog Devices）

• 对于具有固定输出电压的 LTC3310S-1，可以选择 DC3021A 评估板（图 11）。

图 11：对于不允许用户调节输出电压的 LTC3310S-1，应当选择 DC3021A 评估板。（图片来源：Analog Devices）

• 最后，对于更加复杂的多相并联布置，可以选择 DC2874A-C（图 12）。此评估板将 LTC3310S 作为多相 2.0 MHz、3.3 至 1.2 V 降压稳压器来运行。DC2874A 具有三个构建选项，可提供两相/20 A、三相/30 A 或四相/40 A 的输出解决方案。

图 12：适用于 LTC3310S 的 DC2874A-C 评估板具有三个构建选项：两相/20 A、三相/30 A 或四相/40 A 输出。（图片来源：Analog Devices）

通过使用 LTC3310S 并投入一些时间了解适用的评估板以及相应的用户手册，设计人员可以最大限度减少在 DC/DC 稳压器性能方面花费的时间。

总结

过去，工程师们不得不在两种相互冲突、属性截然相反的 DC/DC 稳压器拓扑之间做出选择。LDO 可提供超低噪声 DC 输出，但效率仅为中低水平，因此在输出超过大约 1 A 的电流时会遇到散热问题。相比之下，开关稳压器的效率在 90% 以上，但会导致 DC 输出轨的噪声增加，同时还是产生传导噪声（尤其是辐射噪声），很容易导致产品无法通过强制性监管测试。

幸运的是，Analog Devices 推出的 Silent Switcher 系列采用多项创新设计技术，克服了这种只能“二选一”的困境，因此提供了多种极其高效、噪声超低、外形小巧的稳压器选择。