新一代高頻大電流降壓芯片

作者：時(shí)間：2023-02-15 來源：矽力杰

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  技術(shù)方案與實(shí)用技巧

全球經(jīng)濟(jì)正敲打通信和云計(jì)算的時(shí)代大門，核心部件光模塊及CPU不斷升級，內(nèi)部芯片也不斷更新迭代，這些都將對最前端技術(shù)產(chǎn)生影響。矽力杰推出新一代高頻大電流同步降壓轉(zhuǎn)換器SY72220，為通信及云計(jì)算設(shè)備提供更加優(yōu)化的電源管理解決方案。

本文引用地址：http://www.biyoush.com/article/202302/443368.htm

* 10MHz 20A 電源方案面積

SY72220

10MHz, 20A同步降壓穩(wěn)壓器

◆ 輸入電壓范圍：2.8V ~ 5.5V

◆ 輸出電流：20A

◆ I2C可調(diào)頻率：3MHz/5MHz/10MHz

◆ I2C可調(diào)輸出電壓：0.4V~1.5V

◆ 多次可編程存儲(chǔ)(MTP Memory)

◆ 集成 2m? NMOS 同步整流器

◆ 精確 ±1% 內(nèi)部電壓基準(zhǔn)

◆ 超快線路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

◆ 內(nèi)置差分電路采樣輸出電壓

◆ 內(nèi)置軟啟動(dòng)

◆ 平滑預(yù)偏置啟動(dòng)

◆ 具有遲滯功能的熱警示和熱關(guān)斷保護(hù)

◆ 集成UVLO/UVP/SCP/OCP

◆ 緊湊型封裝：QFN3×4-16

方案簡介

* SY72220典型應(yīng)用圖

SY72220是一款高頻同步降壓轉(zhuǎn)換器，最大提供20A的連續(xù)輸出電流。其輸出電壓從0.4V到1.5V在線可調(diào)。

SY72220可在2.8V到5.5V的輸入電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定高效工作，適合各種低電壓系統(tǒng)。SY72220控制環(huán)路具有高增益帶寬誤差放大器，實(shí)現(xiàn)了快速的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)的延時(shí)不超過50ns。其工作頻率可通過I2C配置為3MHz、5MHz或10MHz。

SY72220具有輸入和輸出過壓保護(hù)（OVP），輸出欠壓保護(hù)（UVP）和短路保護(hù)（SCP），以及逐周期過流保護(hù)（OCP），提高了系統(tǒng)可靠性。EN使能引腳和集成的UVLO對降壓轉(zhuǎn)換器的打開進(jìn)行嚴(yán)格的控制。平滑的預(yù)偏置啟動(dòng)最大程度上限制了啟動(dòng)浪涌電流。

SY72220的超高開關(guān)頻率使其可采用極小尺寸的電感和電容，滿足對輸出紋波等性能參數(shù)的設(shè)計(jì)要求，極大縮減了PCB布局的空間，為終端設(shè)備提供了更為緊湊的解決方案。

SY72220采用定制的16引腳QFN3*4封裝，該封裝具有大尺寸PGND焊盤焊接至PCB，以獲得極低的結(jié)至板熱阻。

極簡BOM設(shè)計(jì)，PCB布局緊湊

* 10MHz方案 vs 1MHz方案尺寸對比

智能終端設(shè)備性能不斷提高，設(shè)備的設(shè)計(jì)空間也更為寶貴。SY72220采用緊湊型QFN封裝，芯片大小僅為3mm×4mm。SY72220開關(guān)頻率高達(dá)10MHz，借由較小的輸出電容和電感，PCB面積僅為1MHz開關(guān)頻率方案的1/4，降低BOM成本，極大程度提升了整體方案的功率密度。

極高環(huán)路帶寬，超快動(dòng)態(tài)響應(yīng)

* SY72220典型負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

SY72220支持超快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)的延時(shí)不超過50ns。其高環(huán)路帶寬實(shí)現(xiàn)了在快速負(fù)載跳變時(shí)較小的輸出電壓跌落和過沖，為設(shè)備提供更加穩(wěn)定的電源輸出。

工作頻率范圍寬，轉(zhuǎn)換效率高

* SY72220典型工作點(diǎn)效率曲線(Vin=3.3V, Vo=1V)

SY72220可通過I2C選擇3MHz、5MHz或10MHz開關(guān)頻率。SY72220通過優(yōu)化內(nèi)部功率管開通關(guān)斷的速度和導(dǎo)通電阻最大程度上降低了高頻率帶來的功率損耗。方案在3MHz的開關(guān)頻率下，峰值效率可達(dá)90%以上。

應(yīng)用場景

應(yīng)用示例一

手機(jī)等掌上電子設(shè)備內(nèi)部空間有限，隨著CPU運(yùn)算性能的不斷提升，需要有更高功率密度和超快速負(fù)載跳變響應(yīng)的電源管理解決方案。這是SY72220芯片10MHz工作頻率的典型應(yīng)用場景。

* 手機(jī)內(nèi)部processer圖片

下面根據(jù)一組實(shí)際應(yīng)用條件進(jìn)行輸出電感電容參數(shù)設(shè)計(jì)。

Vin=3.6V, Vo=1V, Iomax=16A, load step up: 0.1A-0.5*Iomax/100ns, load step down: 0.5*Iomax -0.1A/100ns, ?Vout(ac)<=±30mV(±3%)。

首先確定電感感值，一般按照電感紋波為滿載輸出電流的20%~40%。

Vo=L*?IL/toff, ?IL=30%*Iomax=4.8A.

Lthoeory=Vo*toff/?IL≈1*77ns/4.8≈16nH。

則最接近理論計(jì)算的可用電感感值為17nH(CLT32-17N)和15nH(HPLE041T-15NNSF)。

其次考慮滿足負(fù)載跳變的交流紋波要求。

◆ 當(dāng)從輕載跳重載時(shí)，容性負(fù)載電壓的ΔVundershoot由輸出容值，負(fù)載變化速率，環(huán)路響應(yīng)延時(shí)，電感感值，輸入和輸入電壓值和最大占空比決定。不考慮響應(yīng)延時(shí)，由階躍跳變時(shí)刻到輸出電壓最低點(diǎn)時(shí)刻的電荷守恒，可得ΔVundershoot表達(dá)式：

* 0A→8A負(fù)載階躍跳變仿真及理論計(jì)算

代入?yún)?shù)Vin=3.6V, Vo=1V, ΔIout=8A。

L=15nH, Dmax=ton/(ton+toff_min)=0.46。

當(dāng)要求ΔVundershoot≤30mV, Co需滿足>=24μF。

◆ 當(dāng)從重載跳輕載時(shí)，容性負(fù)載電壓的ΔVovershoot由輸出容值，電感感值和輸出電壓決定。作同樣假設(shè)，并考慮輸出充高時(shí)下管可以一直打開，由階躍跳變時(shí)刻到輸出電壓最高點(diǎn)時(shí)刻的電荷守恒，可得ΔVovershoot表達(dá)式：

* 8A→0A負(fù)載階躍跳變仿真及理論計(jì)算

當(dāng)要求ΔVovershoot≤30mV,代入?yún)?shù)，Co需滿足>=16μF。

同時(shí)滿足輸出電壓ac紋波±30mV的要求，輸出容值應(yīng)不小于24μF。

最后考慮輸出電壓的DC紋波。普通二端子的多層陶瓷電容器（MLCC）的諧振頻率大約在2~3MHz，其等效串聯(lián)寄生電感會(huì)在諧振頻率之后驟增，使輸出電壓紋波變大。三端子低ESL多層陶瓷電容器因?yàn)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)于多個(gè)電流路徑并聯(lián)，大大減小了ESL和ESR等寄生參數(shù)。為了進(jìn)一步減少輸出電壓紋波，建議采用三端子電容應(yīng)用于5MHz及以上開關(guān)頻率。

同時(shí)考慮輸出電壓的AC和DC紋波要求，輸出容采用6顆三端子電容NFM15PC435R0G3D (4.3μF,4V,0402)并聯(lián)。

由下表可知，10MHz的輸出無源元器件體積不到1MHz的十分之一，大大提高了功率密度。

* 滿足CPU供電應(yīng)用條件的輸出無源元器件設(shè)計(jì)

實(shí)測負(fù)載跳變輸出電壓ac紋波≤±30mV。

*負(fù)載跳變波形

10MHz工作頻率下，全負(fù)載范圍內(nèi)輸出電壓dc紋波≈5mV。

* 10MHz輸出電壓紋波

芯片工作在半載達(dá)到熱平衡時(shí)，芯片溫升不超過40℃。

* 熱成像圖

應(yīng)用示例二

* 數(shù)據(jù)中心光模塊系統(tǒng)框圖

光模塊系統(tǒng)3.3V電源軌是SY72220芯片3MHz和5MHz工作頻率的一個(gè)典型應(yīng)用場景，對于電源芯片主要有高集成化，高效率，低輸出電壓紋波等要求?；赟Y72220芯片的模組可以通過三維框架設(shè)計(jì)，集成除輸出電容外的全部無源元器件，更利于光模塊等模塊化系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)。