如何以小巧外型尺寸為 FPGA 和 ASIC 提供低雜訊、高密度的供電

具有高電流要求的數位 IC，如 FPGA 和 ASIC，正逐漸在汽車、醫療、電信、工業、電玩和消費性影音等應用的嵌入式系統中成為重要核心。這些應用，有許多都屬於關鍵任務型應用與高可靠度應用，前者譬如汽車駕駛輔助系統 (ADAS)，後者譬如資料中心。

除了電流要求外，這些較低電壓的裝置對電軌有嚴格的容差規範。以高效率、高準確度、快速暫態效能、高穩定度及低雜訊提供電力，對於系統效能與完整性來說至關重要。

傳統的切換式穩壓器控制器與電源子系統在輸出軌上都有潛在的雜訊問題，此外也有諸如輻射電磁干擾 (EMI) 與無線射頻干擾 (RFI)、暫態響應不足和佈局限制等問題。為了讓雜訊降至最低，某些應用會採用外型小巧且雜訊低的低壓降 (LDO) 穩壓器，其與早期 LDO 相比，效率已有所改進。但這些 LDO 通常無法滿足系統效率需求，因此會有散熱上的疑慮。

切換式穩壓器是 LDO 的高效率替代方案，但這些裝置基於時脈與切換功能，在本質上就具有較高的雜訊。若設計人員要發揮這些切換裝置的完整優勢，就必須緩解雜訊問題。

幸好，有許多新方法可在雜訊與效率之間取得平衡。本文將探討電源轉換設計上近期的創新，不僅兼顧高效率與最低空間需求，並可大幅降低切換式穩壓器的雜訊。文中會探討創新的切換式穩壓器如何針對個位數電壓、10 A 以下範圍的負載，符合其多重目標，並以 Analog Devices 推出的 LTC33xx 系列小型 Silent Switcher IC 為例介紹。

電流／電壓的要求

自從電晶體與 IC 在 20 世紀下半葉發明並演進以來，其所提供的眾多優勢之一，在於與其取代的真空管相比，各功能的電力需求極低，差距可輕鬆達 100 倍以上。但這種優勢迅速導致各個裝置與電路板的功能密度提高，以致於如今的 IC 需在每個電軌耗用數十安培，而且往往具備多個電軌。

某些需要高電流的 IC，最終必須以熱能的形式耗散大量的相關電能，例如現場可編程閘極陣列 (FPGA) 以及應用專用 IC (ASIC)。兩者皆廣泛用於整個電子產業的內嵌式元件，包括汽車、醫療、工業、通訊、電玩和消費性影音裝置。

FPGA 或 ASIC 所需的電流可透過 AC/DC 轉換器取得 (對於線路供電裝置)，或透過 DC/DC 轉換器取得 (對於電池供電裝置)。無論透過何種途徑，之後皆須使用 DC/DC 降壓穩壓器，以所需的電流位準，提供和管理負載的個位數電軌電壓。

提供必要功率的方法之一，就是使用單一 DC/DC 降壓穩壓器來支援電路板的所有裝置，並將其遠遠地置於 PCB 側邊或角落處，以幫助管理散熱問題和簡化 DC/DC 系統層級的架構。

但這種看似簡單的解決方案有一些問題：

• 首先，礙於距離與高電流位準因素，在穩壓器與負載之間不可避免地會產生 IR 壓降 (ΔV 壓降 = 負載電流 I x 走線電阻 (R))。解決此問題的方法是增加電路板走線寬度或厚度，或是使用直立式匯流排，但這會佔用寶貴的電路板空間並擴大物料清單 (BOM)。
• 有個技巧可克服 IR 壓降的困難，就是在負載端使用遠端電壓感測，但這僅適用於單點非分散式負載，此外也會帶來新的潛在振盪問題，原因在於較長的電軌與感測引線，其電感值會影響穩壓器與電軌的暫態效能。
• 最後，通常也是最難解決的問題在於，較長的電軌也會拾取更多的 EMI/RFI 雜訊，或更容易沿著全長輻射雜訊，就像天線一樣。解決方法通常需要採用額外的旁路電容、線路內鐵氧體磁珠以及其他措施。根據其強度與頻率，此雜訊可能會對負載的可靠運作產生不良影響，使其難以滿足各種雜訊排放的法規要求。

雜訊與效率間的兩難

請務必注意，DC/DC 穩壓器在「雜訊與效率」之間的兩難，與工程設計時常見的取捨情形並不相同。取捨情況一般是評估相關利弊，然後在各種有利與不利因素之間尋找「最佳的平衡點」。

這種情況有所不同呢？在大部分的取捨情況下，設計人員會刻意犧牲一些想要的參數值，以換取其他更多參數值，接著再進行一連串的取捨 (圖 1 上)。

圖 1：在大部分設計情況下，工程師可以沿著相當連續的路徑評估並作出各種效能取捨 (上圖)，但在切換式穩壓器與 LDO 的雜訊／效率之間，設計最終只能偏袒一邊，而少有「中間地帶」(下圖)。(圖片來源：Bill Schweber)

舉例來說，設計人員可選擇耗用更多電流 (缺點) 的運算放大器，以提供比其他運算放大器更高的迴轉率 (優點)；在應用中，這種取捨是可接受或有必要的。

但對切換式穩壓器和 LDO 而言，雜訊與效率屬性已「深植」於本身架構。舉例來說，設計人員不能說，他們接受 LDO 雜訊多出 20%，以換取效率提升 10%，這種取捨並不成立。事實上，屬性取捨範圍內有一定的缺口 (圖 1 下)。

Silent Switcher 穩壓器可解決取捨難題

通常更理想的替代解決方案是使用個別 DC/DC 穩壓器，並盡可能靠近其負載 IC。這可將 IR 壓降、PCB 覆蓋區，以及電軌雜訊的拾取與輻射降至最低。但若想讓此作法變得可行，就必須採用可放置於負載旁且仍符合所有電流要求的小型、高效、低雜訊穩壓器。

這就是為何許多 Silent Switcher 穩壓器能解決問題的原因。這些穩壓器採用多種設計創新技術，因此不僅能以數 A 至 10 A 的電流位準提供個位數電壓輸出，還可達到極低雜訊。

這些穩壓器將傳統上考慮 LDO 與切換式穩壓器兩者間差距的難題，轉變成考慮採用 Silent Switcher 1 (第一代) 或 Silent Switcher 2 (第二代) 裝置。這些裝置的設計人員已識別多種雜訊來源，更設計了多種衰減雜訊的方法。

請注意，Silent Switcher 穩壓器並未採用眾所周知且正常的「展頻」技術，這會對時脈訊號增加偽隨機雜訊。這種作法會加大雜訊頻譜，並降低其在時脈頻率下的振幅及其諧波。雖然使用展頻時脈有助於符合法規限制，但無法降低總雜訊能量，且實際上可能會對部分頻段增添雜訊，進而影響電路效能。

Silent Switcher 1 裝置具有低 EMI、高效率以及高切換頻率的優點，可將許多會干擾系統運作或引起法規疑慮的殘餘雜訊移出頻段。Silent Switcher 2 裝置不僅具備 Silent Switcher 1 技術的所有特點，還添加整合式精密電容、採用更小的解決方案尺寸，而且不受 PCB 佈局的影響。

這些切換式穩壓器具有小巧的外形尺寸 (面積僅有數 mm²) 和出色的效率，因此可放置於極為靠近負載 FPGA 或 ASIC 的位置，可藉此將效能最大化，並消除規格書表列效能與實際使用之間的不確定性。這改變了必須在接受更多雜訊或更低效率之間「二選一」的困境，因此能讓設計人員在雜訊與效率方面找到兩全其美的作法。

Silent Switcher 如何達到這些優勢？秘訣在於採用多層面作法：

• 切換式電源供應器的雜訊主要來自於切換式電流，而非穩態電流。在傳統的切換式穩壓器拓撲中，會有一個電流路徑，稱為熱迴路。此熱迴路並非獨立的電流迴路，而是由兩個實際電流迴路元件組成的虛擬電流迴路 (圖 2)。

圖 2：一般切換式穩壓器拓撲具有一個虛擬電流迴路，稱為熱迴路；由兩個實際的電流迴路元件組成，並具有切換式電流路徑。(圖片來源：Analog Devices)

Analog Devices 的 Silent Switcher 2 技術在 IC 封裝中整合輸入電容，藉此盡可能縮小關鍵的熱迴路。此外，會將熱迴路拆分為兩個對稱的形狀來建立兩個極性相反的磁場，讓輻射雜訊盡可能自行抵銷。

• 第二代架構支援以高切換頻率快速切換邊緣來達到高效率，同時達到良好的 EMI 效能。DC 輸入電壓 (V_IN) 採用內部陶瓷電容，可確保所有快速 AC 電流迴路夠小，進而增進 EMI 效能。
• Silent Switcher 架構採用自行研發的設計與封裝技術，可在極高頻率下發揮最大效率並可促成超低 EMI 效能，再以極為緊湊和堅固耐用的設計，輕鬆通過 CISPR 25 Class 5 峰值 EMI 限制。
• 採用主動電壓定位 (AVP) 技術，會依據負載電流決定輸出電壓。在輕負載下，輸出電壓會調節至高於標稱值；在滿載下，輸出電壓會調節至低於標稱值。DC 負載穩壓會進行調整，以提升暫態效能，並可降低輸出電容的要求。

Silent Switcher 的多個系列

Silent Switcher 穩壓器提供多個系列和型號，每個系列採用不同的電壓／電流額定值。有一些額外考量會依型號而有所不同，例如固定式與可調式輸出。LTC33xx 系列的成員包括：

• LTC3307：5 V、3 A 同步降壓 Silent Switcher，採用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝
• LTC3308A：5 V、4 A 同步降壓 Silent Switcher，採用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝
• LTC3309A：5 V、6 A 同步降壓 Silent Switcher，採用 2 mm × 2 mm LQFN 封裝
• LTC3310：5 V、10 A 同步降壓 Silent Switcher 2，採用 3 mm × 3 mm LQFN 封裝

詳細看看 LTC3310，這是一款非常小的低雜訊單晶片降壓 DC/DC 轉換器，能以 2.25 V 至 5.5 V 輸入電源提供最高 10 A 的輸出電流；V_OUT 介於 0.5 V 至 V_IN。切換頻率從 500 kHz 至最高 5 MHz。僅需少量的外部被動元件，且在大部分輸出負載範圍內可達到 90% 左右的效率 (圖 3)。

圖 3：LTC3310 降壓 DC/DC 穩壓器需要外部主動元件，並可在大部分負載範圍內達到高效率。(圖片來源：Analog Devices)

此元件提供四種基本款式，能以最高至 5 MHz 的切換頻率提供低 EMI 與高效率，LTC3310 系列的某些款式更符合 AEC-Q100 汽車標準。請注意，無論是第一代 (SS1) 裝置 (LTC3310)，還是第二代 (SS2) 裝置 (LTC3310S 與 LTC3310S-1)，皆有提供可調式輸出與固定式輸出款式 (表 1)：

表 1：LTC3310 提供四種基本款式，涵蓋第一代與第二代設計，以及固定式與可調式輸出。(圖片來源：Analog Devices)

對於可調整款式，輸出電壓可透過輸出與回授 (FB) 引腳之間的電阻分壓器進行硬編程，並可使用簡易的方程式來確定正確的電阻值 (圖 5)。

圖 5：可調式 LTC3310 裝置僅需依據簡單的方程式，使用基本的電阻分壓器網路，就可建立輸出電壓 。(圖片來源：Analog Devices)

雜訊位準通常僅有數十 µV。LTC3310 裝置的低雜訊效能有兩項關鍵指標，皆通過了依據相關 CISPR25 Class 5 峰值限制進行的雜訊測試，包括傳導雜訊 (圖 6) 以及水平和垂直平面的輻射雜訊 (圖 7)。

圖 6：以 LTC3310S 為基礎妥善排列的穩壓器，符合嚴格的 CISPR25 EMI 放射限制 (在 Class 5 峰值下)。(圖片來源：Analog Devices)

圖 7：對於輻射放射測試，LTC3310S 符合 CISPR25 的所有水平面 (左) 與垂直面 (右) EMI 要求。(圖片來源：Analog Devices)

LTC3310 系列還有另一個值得注意的特點，就是裝置可以並聯使用，以達到多相高電流操作，這是其他許多切換式穩壓器不支援的功能，或僅提供有限支援。最簡單的並聯可達到雙相操作，產生最高 20 A 的電流 (圖 8)。此作法可輕鬆擴充成三相、四相或更多相位，以及對應的高電流。

圖 8：只要幾個額外元件，就可組合兩個或兩個以上的 LTC3310 裝置，達到多相、更高電流的操作；在此顯示雙相／20 A 配置。(圖片來源：Analog Devices)

評估板可縮短設計週期

由於沒有初始化暫存器、軟體控制功能或其他複雜的安裝作業，您可以直接在應用中使用 LTC3310 裝置等穩壓器。即便如此，在確定最終佈局或 BOM 規格前，技術合理的作法應該是先評估靜態與動態效能，並將被動元件的數值最佳化。LTC3310 評估板的問世讓這個過程輕鬆很多。Analog Devices 針對不同的 LTC3310 款式與配置推出多種對應的評估板：

• DC3042A 可支援可調式輸出 LTC3310 元件 (圖 9)。

圖 9：DC3042A 評估板專為 LTC3310 而設計，具有使用者可設定的輸出電壓。(圖片來源：Analog Devices)

除了引導使用者完成基本設定與操作外，說明文件中還包含線路圖、電路板佈局以及物料清單 (BOM)。此外，還標出了各個測試點與連線，以及測量輸出漣波及步進響應所用的探針配置 (圖 10)。

圖 10：DC3042A 使用者展示手冊清楚地標出各個測試點與連線 (上)，以及測量輸出漣波及步進響應所用的探針設定和配置。(圖片來源：Analog Devices)

• 具有固定式輸出電壓的 LTC3310S-1，可使用 DC3021A 評估板 (圖 11)。

圖 11：LTC3310S-1 的輸出電壓不可由使用者調整，DC3021A 評估板會是較理想的選擇。(圖片來源：Analog Devices)

• 最後，若是稍微複雜一點的多相並聯配置，則適合使用 DC2874A-C (圖 12)。此評估板採用 LTC3310S，可當作多相 2.0 MHz、3.3 至 1.2 V 降壓穩壓器操作。DC2874A 具有三種建構選項，可提供雙相／20 A、三相／30 A 或四相／40 A 輸出解決方案。

圖 12：適用於 LTC3310S 的 DC2874A-C 評估板具有三種建構選項：雙相／20 A、三相／30 A 或四相／40 A 輸出。(圖片來源：Analog Devices)

使用 LTC3310S 並投入時間研究相關的評估板及其使用者手冊，就可讓設計人員以最少的時間促進 DC/DC 穩壓器的效能。

結論

過去，工程師必須在兩個互相衝突、屬性截然不同的 DC/DC 穩壓器拓撲之間進行選擇。LDO 可提供雜訊超低的 DC 輸出，但只有中低效率，因此當輸出超過 1 A 左右時，就會面臨散熱挑戰。相對地，切換式穩壓器可以提供 90% 左右的效率，但會增加 DC 輸出電軌的雜訊，同時還會產生傳導 (特別是輻射) 雜訊，因此很容易導致產品無法通過法規要求的測試。

幸好，Analog Devices 的 Silent Switcher 系列採用多種創新設計技術，可克服這種「二選一」困境，提供高效率、超低雜訊、外形小巧的穩壓器選項。