【導(dǎo)讀】在片上系統(tǒng)(SoC)應(yīng)用中，集成電源管理芯片(PMIC)供電的電源方案需滿足多項(xiàng)嚴(yán)苛的性能指標(biāo)：不僅要大輸出電流，還需實(shí)現(xiàn)負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)速度快、波動(dòng)小，同時(shí)兼具低電磁兼容(EMC)干擾特性、低溫升、休眠模式下低功耗等特性。
ADI公司推出的單芯片開關(guān)穩(wěn)壓器集成了場(chǎng)效應(yīng)管(FET)，可支持大輸出電流，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗與低散熱。此外，它們還能滿足SoC應(yīng)用所需的其他關(guān)鍵性能要求。
作為全集成式單芯片IC解決方案，它們可顯著縮減PCB占用面積，為設(shè)備小型化設(shè)計(jì)添磚加瓦。
引言
現(xiàn)如今，汽車電子系統(tǒng)普遍采用電子控制單元(ECU)對(duì)機(jī)械子系統(tǒng)進(jìn)行電氣化控制和管理。每個(gè)ECU各司其職，用于執(zhí)行特定功能；而現(xiàn)代汽車搭載了大量ECU，以覆蓋多樣化的控制需求。隨著功能整合不斷深入，多個(gè)ECU功能逐步合而為一，對(duì)承擔(dān)集中控制任務(wù)的片上系統(tǒng)(SoC)器件提出了更高的處理性能要求。由此，系統(tǒng)所需的供電電流也急劇攀升。
如圖1所示，SoC由集成電源管理芯片(PMIC)生成多路不同電壓，為CPU和存儲(chǔ)器等內(nèi)部功能模塊供電。PMIC本身通常采用3.3V電源供電。在汽車電子系統(tǒng)中，主電源一般為鉛酸蓄電池，標(biāo)稱供電電壓約12V～14V。為PMIC提供3.3V電源的通路由一級(jí)電源IC產(chǎn)生，需要輸出10A以上負(fù)載電流。由于PMIC的允許輸入電壓范圍較窄，一級(jí)電源IC的輸出電壓必須保持高精度，同時(shí)對(duì)紋波與負(fù)載擾動(dòng)引起的電壓波動(dòng)進(jìn)行嚴(yán)格控制。
圖1：SoC結(jié)構(gòu)示意圖
SoC電源關(guān)鍵要求
當(dāng)負(fù)載電流需求超過10A時(shí)，通常采用控制器IC驅(qū)動(dòng)外置場(chǎng)效應(yīng)管(FET)的方案。為承載大電流并應(yīng)對(duì)隨之而來的散熱問題，控制器IC搭配外置開關(guān)FET的分立架構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)。一般而言，集成FET的單芯片IC難以勝任此類大電流、高熱應(yīng)力應(yīng)用場(chǎng)景。而LT8648S作為一款單芯片IC，可滿足SoC應(yīng)用的大電流需求，目前已應(yīng)用于汽車電子ECU，用作SoC內(nèi)部PMIC的供電電源。
圖2顯示了控制器IC與單芯片IC評(píng)估板的PCB布局。相較于需要外接FET的控制器IC，內(nèi)置FET的單芯片IC可大幅縮減PCB占用面積。
圖2：控制器IC和單芯片IC的PCB布局
隨著SoC性能日新月異，供電電流需求也水漲船高。LT8648S已成功實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，并作為PMIC供電電源廣泛應(yīng)用于汽車電子系統(tǒng)；但負(fù)載電流進(jìn)一步提升后，對(duì)散熱能力提出了更高要求。為此，ADI推出了LT8648SP器件以滿足這一需求。如圖3a所示，傳統(tǒng)IC封裝采用樹脂封裝硅芯片，熱量主要通過底部裸露焊盤傳導(dǎo)至PCB進(jìn)行散熱。相比之下，LT8648SP在封裝頂部處露出了硅芯片，如圖3b所示。可直接在裸露芯片上加裝散熱片，實(shí)現(xiàn)高效散熱。如圖4所示，無散熱片時(shí)，LT8648SP與LT8648S散熱性能旗鼓相當(dāng)；加裝散熱片后，LT8648SP的溫升不足LT8648S的一半。憑借這方面的性能提升，LT8648SP可承載高得多的負(fù)載電流。
圖3：(a) LT8648S表面；(b) LT8648SP表面
圖4：LT8648S和LT8648SP的溫升對(duì)比。
如前所述，SoC對(duì)負(fù)載電流的需求極高。隨著負(fù)載電流不斷增大，電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì)難度也隨之加大，需額外增加濾波電路與外圍器件，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度節(jié)節(jié)攀升。直接與蓄電池相連的主電源IC，在ECU內(nèi)部對(duì)電磁兼容的影響尤為突出，必須具備優(yōu)異的輻射發(fā)射(RE)與傳導(dǎo)發(fā)射(CE)性能。LT8648S/LT8648SP搭載ADI的專利Silent Switcher? 2架構(gòu)。如圖5所示，Silent Switcher技術(shù)通過對(duì)稱布置輸入電容來降低電磁輻射，將電磁場(chǎng)約束在IC周邊區(qū)域，大幅提升了EMC性能。Silent Switcher 2技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化EMC表現(xiàn)，將輸入電容集成至封裝內(nèi)部、緊鄰硅裸片布局，如圖6所示。因此，LT8648S/LT8648SP可完全滿足汽車電子EMC標(biāo)準(zhǔn)CISPR 25 5級(jí)要求，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖7所示。
圖5：Silent Switcher結(jié)構(gòu)
圖6：Silent Switcher 2 LT8609S內(nèi)部
圖7：LT8648S輻射電磁兼容性能曲線
圖8：輕載和重載之間的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)
車輛行駛過程中，SoC的處理負(fù)載會(huì)瞬息萬變、大幅波動(dòng)。由于SoC的輸入電流需求也會(huì)隨之變化，電源IC必須具備優(yōu)異的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能。如圖8所示，即便遭遇大幅度負(fù)載電流跳變，LT8648S/LT8648SP也能快速恢復(fù)至設(shè)定輸出電壓，電壓過沖與下沖幅度極小。這種特性對(duì)于為SoC供電的PMIC至關(guān)重要，因?yàn)楹笳咴试S的輸入電壓范圍很窄。
車輛熄火待機(jī)時(shí)，低靜態(tài)電流就成為關(guān)鍵指標(biāo)。待機(jī)休眠模式下，SoC會(huì)周期性喚醒以執(zhí)行檢測(cè)任務(wù)，隨后再次進(jìn)入休眠，這種工作模式稱為周期性喚醒。在此模式下，LT8648S/LT8648SP必須以極低功耗供電。ADI專利的Burst Mode?（突發(fā)模式）工作模式，可大幅降低輕載工況下的功耗。圖9為突發(fā)模式與強(qiáng)制連續(xù)模式的開關(guān)波形及電感電流對(duì)比。突發(fā)模式不采用固定頻率開關(guān)，僅在輸出電壓低于設(shè)定閾值時(shí)才開啟開關(guān)，以此減少開關(guān)動(dòng)作，在輕載條件下保持高效率。系統(tǒng)休眠時(shí)，可將同步引腳(SYNC)拉低，開啟突發(fā)模式；正常工作時(shí)則將同步引腳拉高，啟用強(qiáng)制連續(xù)模式。工作模式可在設(shè)備運(yùn)行中無縫切換，且不會(huì)對(duì)輸出電壓造成擾動(dòng)。
圖9：強(qiáng)制連續(xù)模式和突發(fā)模式的開關(guān)波形
隨著SoC性能持續(xù)迭代，負(fù)載電流需求預(yù)計(jì)還會(huì)進(jìn)一步增大。如圖10所示，兩個(gè)LT8648S/LT8648SP器件可通過連接輸入和輸出來實(shí)現(xiàn)并聯(lián)，從而提升可承載的負(fù)載電流。如圖11所示，即便負(fù)載電流超過30A，輸出電壓偏差仍維持在極小水平。器件工作時(shí)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)開關(guān)相位交錯(cuò)運(yùn)行，避免并聯(lián)工作狀態(tài)下EMC性能出現(xiàn)劣化。
圖10：兩片LT8648S并聯(lián)
圖11：雙芯片并聯(lián)工作時(shí)的LT8648S負(fù)載調(diào)整
結(jié)論
LT8648S/LT8648SP屬于內(nèi)置FET的單芯片電源芯片，不僅可支持大輸出電流，還能在寬輸入電壓范圍與寬溫度范圍內(nèi)，提供高精度、高穩(wěn)定性的輸出電壓。同時(shí)，它們具備低EMC與低靜態(tài)電流特性，兩項(xiàng)性能均為汽車電子應(yīng)用的必備要求。因此，它們非常適用于追求小體積且需要大電流承載能力的ECU。
作者簡(jiǎn)介
Kazutaka Saito是ADI公司的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。他在凌力爾特及ADI公司任職期間，深耕電源管理IC領(lǐng)域，積累了豐富扎實(shí)的汽車電子客戶技術(shù)支持經(jīng)驗(yàn)。憑借多年半導(dǎo)體行業(yè)從業(yè)履歷，他此前還曾主導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)相關(guān)工作。
