【導(dǎo)讀】超薄、低噪聲、多相電源解決方案，正不斷突破高密度電子系統(tǒng)的傳統(tǒng)限制。此類解決方案兼具小尺寸與大電流能力，使設(shè)計人員能夠滿足嚴(yán)苛的瞬態(tài)和效率要求，而不必犧牲寶貴的電路板空間。先進(jìn)的多相架構(gòu)支持快速瞬態(tài)響應(yīng)，輸出紋波更低，散熱性能更佳，對于散熱受限且重視信號完整性的應(yīng)用非常有幫助。
本文介紹了一個使用超薄、低噪聲μModule?穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)的實(shí)際方案。通過利用多相交錯和并聯(lián)操作，該方案以緊湊的尺寸實(shí)現(xiàn)了極低的輸出噪聲和電磁干擾(EMI)，同時將輸出電流提升至16A。這種方法特別適用于數(shù)據(jù)中心、5G電信和工業(yè)自動化應(yīng)用中的敏感模擬電路、高速數(shù)據(jù)接口和密集排布的PCB。
引言
現(xiàn)代電子系統(tǒng)，如云服務(wù)器、電信基礎(chǔ)設(shè)施和先進(jìn)的工業(yè)自動化設(shè)備，通常要求在日益受限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高性能。面對負(fù)載電流需求不斷上升，同時電路板面積不斷縮小，設(shè)計人員必須在不犧牲效率、噪聲性能和信號完整性的前提下，交付穩(wěn)健的大電流解決方案。與此同時，敏感模擬電路和高速數(shù)據(jù)接口的廣泛使用，使得低噪聲和電磁干擾(EMI)最小化變得日益關(guān)鍵。
LTM4732采用超薄、大電流多相架構(gòu)及ADI公司突破性的Silent Switcher? 3 (SS3)技術(shù)來應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。這款μModule?穩(wěn)壓器尺寸僅為6.25mm × 4mm × 1.92mm，非常適合空間有限、對高度有嚴(yán)格限制、每一毫米都彌足珍貴的應(yīng)用。整體高度近乎等同于貼片焊接的1206封裝電容，支持安裝在PCB的背面，從而騰出電路板正面的空間。這款器件通過集成SS3技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的噪聲性能，低頻輸出噪聲低至4μV rms，傳導(dǎo)和輻射EMI顯著降低。傳統(tǒng)低壓差(LDO)穩(wěn)壓器常常以效率為代價換取低噪聲性能，而且可能需要在開關(guān)轉(zhuǎn)換器之后再加一級穩(wěn)壓電路。相比之下，LTM4732在單個緊湊的模塊中同時實(shí)現(xiàn)了高效率和超低噪聲特性。如此一來，電源系統(tǒng)無需額外的LDO級，設(shè)計得以簡化，同時仍能滿足敏感模擬系統(tǒng)和高速數(shù)字系統(tǒng)的嚴(yán)格噪聲要求。高轉(zhuǎn)換效率使功率損耗和發(fā)熱量進(jìn)一步減少，因此該解決方案非常適合重視散熱性能和能效的應(yīng)用。
功率模塊中的多相操作和交錯
現(xiàn)代大電流功率模塊（如LTM4732）利用多相操作，實(shí)現(xiàn)出色的效率、噪聲和瞬態(tài)響應(yīng)性能。在多相拓?fù)渲校瑪?shù)個轉(zhuǎn)換器相位并聯(lián)操作，每相以相同頻率開關(guān)，但與其他相位保持固定的相移。開關(guān)事件的交錯是此種架構(gòu)的核心優(yōu)勢所在。
相位交錯與紋波降低
當(dāng)N個相位交錯時，每個相位的時間偏移為：
例如，在一個四相系統(tǒng)中，每相偏移90°。這種交錯使開關(guān)事件在開關(guān)周期中均勻分布，從而有效提高了輸出紋波頻率：
其中，N為相數(shù)，fsw為每相的開關(guān)頻率。
更高的有效紋波頻率，外加輸出節(jié)點(diǎn)上相電流的部分抵消，使得輸出電壓紋波大幅降低。對于理想的多相系統(tǒng)，峰峰值紋波電壓大致與相數(shù)成反比。因此，設(shè)計人員得以利用更小的輸出電容達(dá)到嚴(yán)格的紋波目標(biāo)，從而減少電路板面積和元器件數(shù)量。
輸出電容和瞬態(tài)響應(yīng)
在快速負(fù)載瞬變期間，初始輸出電壓偏差主要取決于在控制環(huán)路響應(yīng)之前，電路能以多快的速度將電流輸送至輸出電容。在交錯多相轉(zhuǎn)換器中，相位交錯可提高輸出端的有效紋波頻率，將紋波能量推至更高頻率，同時縮短負(fù)載獲得電流供給的間隔。
因此，瞬態(tài)負(fù)載需求分布在多個相位上，每安培負(fù)載階躍的瞬時電壓偏差得以降低。測量結(jié)果顯示，在大負(fù)載轉(zhuǎn)換期間，即使輸出電流水平較高，電路也能穩(wěn)定恢復(fù)，并將電壓偏移控制在合理范圍內(nèi)。
電流升降與熱管理
多相操作的另一個優(yōu)勢是電流升降非常簡單。總輸出電流能力隨相數(shù)線性增長：
多模塊并聯(lián)可提高總電流輸出，同時熱和電應(yīng)力分散至各相，因而可靠性更高，熱管理更簡單。
多轉(zhuǎn)換器相位交錯可降低輸出紋波，并使熱量在各相之間均勻分布，從而提升電流能力和效率。因此，在重視噪聲和散熱管理的高性能應(yīng)用中，多相架構(gòu)極具價值。
LTM4732應(yīng)用于多相架構(gòu)的設(shè)計考量和指南
概述
在多相應(yīng)用中使用LTM4732時，必須重點(diǎn)關(guān)注配置、同步和布局，以確保實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能和可靠的均流。本部分總結(jié)了大電流應(yīng)用的實(shí)用指南和最佳實(shí)踐，包括如何并聯(lián)多個模塊、有效降低噪聲、管理熱性能等。
并聯(lián)配置
為了通過單路輸出支持更高的負(fù)載電流，可將兩個或更多模塊并聯(lián)配置，也就是將所有器件的VIN、VOUT、VOSNS和COMP引腳連在一起。這種配置可確保所有相位共享電壓檢測和補(bǔ)償，對于準(zhǔn)確均流和穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。圖1展示了一個四相配置，所有模塊并聯(lián)連接。
圖1：四相LTM4732降壓轉(zhuǎn)換器配置，模塊交錯并聯(lián)
時鐘同步和相位鎖定
多個LTM4732轉(zhuǎn)換器經(jīng)過配置，可支持多相操作，具體可通過從相與主相時鐘同步來實(shí)現(xiàn)。為確保可靠同步，主相的自由運(yùn)行振蕩器頻率在同步之前應(yīng)設(shè)置為至少比從相高20%，并且主相的CLKOUT施加于從相的SYNC。
PHMODE引腳設(shè)置轉(zhuǎn)換器之間的相對相移。PHMODE接地時，相移為180°；PHMODE浮空時，相移為120°；PHMODE連接到INTVCC或大于3V的外部電源時，相移為90°。對于三相操作，PHMODE浮空以實(shí)現(xiàn)120°的相移，而對于四相操作，PHMODE連接到INTVCC以實(shí)現(xiàn)90°的相移，分別如圖2a和2b所示。
這種配置可確保相位交錯具有確定性，從而降低輸出紋波并改善EMI性能。
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圖2：反映各相之間120°和90°相移的波形：(a)三相配置；(b)四相配置
測量結(jié)果與性能驗(yàn)證
效率、功率損耗和熱性能
圖3比較了單相和四相配置在不同負(fù)載電流下的效率。在4A負(fù)載下，四相配置的效率為83%，優(yōu)于單相配置的75.5%。效率之所以提升，原因是多相分擔(dān)負(fù)載時，每相的RMS電流會減少，且導(dǎo)通損耗會降低。
圖3：單相與四相LTM4732配置的效率比較
我們在穩(wěn)態(tài)負(fù)載條件下評估了四相配置的效率、功率損耗及熱行為，以表征其在高輸出電流下的系統(tǒng)級性能。
在整個工作負(fù)載范圍內(nèi)，實(shí)測效率保持較高水平，同時總功率損耗隨輸出電流提升逐漸增加，符合預(yù)期。四個交錯相位分擔(dān)負(fù)載電流，每相的電流應(yīng)力得以降低，有助于抑制每個模塊內(nèi)的導(dǎo)通損耗，并使系統(tǒng)能在更高負(fù)載水平下穩(wěn)定運(yùn)行。
圖4：四相交錯LTM4732在1MHz fSW、12VIN和1VOUT下的效率和功率損耗
熱像圖表明，四個模塊的溫度分布均勻，運(yùn)行期間未觀察到局部熱點(diǎn)。器件峰值溫度受到良好控制，證明多相配置中均流和熱擴(kuò)散十分有效。這種均衡的熱特性有助于提升電流輸出能力，并增強(qiáng)熱受限應(yīng)用中的系統(tǒng)可靠性。
圖5：四相交錯LTM4732演示板在1MHz fSW、12VIN和1VOUT下的熱像圖
總之，實(shí)測得到的效率、功耗和熱結(jié)果證實(shí)：四相LTM4732方案具備穩(wěn)健的大電流性能，損耗可控，熱應(yīng)力分布均勻。
瞬態(tài)響應(yīng)
圖6顯示了四相配置對8A至16A負(fù)載階躍的輸出電壓響應(yīng)。在大負(fù)載轉(zhuǎn)換期間，轉(zhuǎn)換器保持了受控的電壓偏差和穩(wěn)定的恢復(fù)性能。輸出快速建立，沒有持續(xù)振蕩，表明環(huán)路具有足夠的穩(wěn)定性，且各相的電流分配有效。按所應(yīng)用負(fù)載階躍歸一化后的電壓偏差測量結(jié)果表明，多相架構(gòu)不僅具備高效的電流傳輸能力，而且呈現(xiàn)出較低的有效輸出阻抗。由于電流由各相分擔(dān)，瞬時電壓跌落得到有效抑制，系統(tǒng)在高動態(tài)負(fù)載情況下也能實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)恢復(fù)。
圖6：四相操作的負(fù)載階躍瞬態(tài)波形
波特圖（頻率響應(yīng)）
圖7展示了四相配置在標(biāo)稱工作條件下測得的控制環(huán)路增益和相位響應(yīng)。環(huán)路表現(xiàn)出明確的單一交越頻率和足夠的相位裕度，表明系統(tǒng)在整個頻率范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。測得的交越頻率約為66kHz，相位裕度為53°，瞬態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)了平衡。沒有觀察到低頻不穩(wěn)定性或過大峰化現(xiàn)象，且交越點(diǎn)后的環(huán)路增益平穩(wěn)下降，符合預(yù)期的電流模式控制行為。
圖7：四相LTM4732的波特圖
故障排查和建議
? 驗(yàn)證各模塊的所有共享引腳（VIN、VOUT、VOSNS、COMP）是否連接正確。
? 在示波器上觀察CLKOUT/SYNC波形，確認(rèn)相位是否正確鎖定。
? 如果相位鎖定失敗，請檢查RT電阻值，并確保從屬模塊的頻率設(shè)置低于主模塊。
? 監(jiān)測操作期間的輸出電壓和電流共享狀況，檢測是否有任何不平衡。
? 利用熱成像技術(shù)識別熱點(diǎn)，并驗(yàn)證熱分布均勻。
結(jié)論
LTM4732為空間受限應(yīng)用中的大電流、低噪聲電源傳輸樹立了新的性能標(biāo)桿。憑借超薄外形、先進(jìn)的多相交錯設(shè)計和SS3技術(shù)，LTM4732實(shí)現(xiàn)了出色的效率、極低的輸出噪聲和穩(wěn)健的EMI性能。實(shí)測結(jié)果證實(shí)，多模塊并聯(lián)可提升輸出電流、降低紋波并優(yōu)化散熱管理，讓許多設(shè)計不再需要后置穩(wěn)壓LDO。
只要遵循本文概述的設(shè)計考量和最佳實(shí)踐，工程師就能在要求嚴(yán)苛的系統(tǒng)中自信地采用LTM4732，實(shí)現(xiàn)性能與可靠性的雙重優(yōu)化。隨著功率密度和噪聲要求的不斷提高，諸如此類的多相解決方案為下一代電子設(shè)計提供了一種靈活且面向未來的方法。
參考文獻(xiàn)
1 Erik Lamp、Xinyu Liang，“面向大電流、快速瞬態(tài)響應(yīng)、噪聲敏感型應(yīng)用的多相解決方案——第1部分”，ADI公司，2023年3月。
作者簡介
Jennifer Joseph是ADI公司μModule?事業(yè)部的高級設(shè)計評估工程師。她擁有印度Jeppiaar工程技術(shù)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)士學(xué)位，以及美國亞利桑那州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。2021年，她加入ADI公司，主要從事高性能功率模塊的開發(fā)和設(shè)計評估。
George (Zhijun) Qian是ADI公司μModule?事業(yè)部的高級設(shè)計經(jīng)理，主要從事高集成度功率模塊解決方案的開發(fā)工作。Zhijun擁有浙江大學(xué)電力電子學(xué)士和碩士學(xué)位，以及美國中佛羅里達(dá)大學(xué)電力電子博士學(xué)位。
