片上系统专用大功率单芯片集成电路

摘要

在片上系统(SoC)应用中，集成电源管理芯片(PMIC)供电的电源方案需满足多项严苛的性能指标：不仅要大输出电流，还需实现负载瞬态响应速度快、波动小，同时兼具低电磁兼容(EMC)干扰特性、低温升、休眠模式下低功耗等特性。
ADI公司推出的单芯片开关稳压器集成了场效应管(FET)，可支持大输出电流，同时实现低功耗与低散热。此外，它们还能满足SoC应用所需的其他关键性能要求。

作为全集成式单芯片IC解决方案，它们可显著缩减PCB占用面积，为设备小型化设计添砖加瓦。

引言

现如今，汽车电子系统普遍采用电子控制单元(ECU)对机械子系统进行电气化控制和管理。每个ECU各司其职，用于执行特定功能；而现代汽车搭载了大量ECU，以覆盖多样化的控制需求。随着功能整合不断深入，多个ECU功能逐步合而为一，对承担集中控制任务的片上系统(SoC)器件提出了更高的处理性能要求。由此，系统所需的供电电流也急剧攀升。

如图1所示，SoC由集成电源管理芯片(PMIC)生成多路不同电压，为CPU和存储器等内部功能模块供电。PMIC本身通常采用3.3V电源供电。在汽车电子系统中，主电源一般为铅酸蓄电池，标称供电电压约12V～14V。为PMIC提供3.3V电源的通路由一级电源IC产生，需要输出10A以上负载电流。由于PMIC的允许输入电压范围较窄，一级电源IC的输出电压必须保持高精度，同时对纹波与负载扰动引起的电压波动进行严格控制。

图1：SoC结构示意图

SoC电源关键要求

当负载电流需求超过10A时，通常采用控制器IC驱动外置场效应管(FET)的方案。为承载大电流并应对随之而来的散热问题，控制器IC搭配外置开关FET的分立架构更具优势。一般而言，集成FET的单芯片IC难以胜任此类大电流、高热应力应用场景。而LT8648S作为一款单芯片IC，可满足SoC应用的大电流需求，目前已应用于汽车电子ECU，用作SoC内部PMIC的供电电源。

图2显示了控制器IC与单芯片IC评估板的PCB布局。相较于需要外接FET的控制器IC，内置FET的单芯片IC可大幅缩减PCB占用面积。

图2：控制器IC和单芯片IC的PCB布局

随着SoC性能日新月异，供电电流需求也水涨船高。LT8648S已成功实现量产，并作为PMIC供电电源广泛应用于汽车电子系统；但负载电流进一步提升后，对散热能力提出了更高要求。为此，ADI推出了LT8648SP器件以满足这一需求。如图3a所示，传统IC封装采用树脂封装硅芯片，热量主要通过底部裸露焊盘传导至PCB进行散热。相比之下，LT8648SP在封装顶部处露出了硅芯片，如图3b所示。可直接在裸露芯片上加装散热片，实现高效散热。如图4所示，无散热片时，LT8648SP与LT8648S散热性能旗鼓相当；加装散热片后，LT8648SP的温升不足LT8648S的一半。凭借这方面的性能提升，LT8648SP可承载高得多的负载电流。

图3：(a) LT8648S表面；(b) LT8648SP表面

图4：LT8648S和LT8648SP的温升对比。

如前所述，SoC对负载电流的需求极高。随着负载电流不断增大，电磁兼容性(EMC)设计难度也随之加大，需额外增加滤波电路与外围器件，导致系统复杂度节节攀升。直接与蓄电池相连的主电源IC，在ECU内部对电磁兼容的影响尤为突出，必须具备优异的辐射发射(RE)与传导发射(CE)性能。LT8648S/LT8648SP搭载ADI的专利Silent Switcher® 2架构。如图5所示，Silent Switcher技术通过对称布置输入电容来降低电磁辐射，将电磁场约束在IC周边区域，大幅提升了EMC性能。Silent Switcher 2技术进一步优化EMC表现，将输入电容集成至封装内部、紧邻硅裸片布局，如图6所示。因此，LT8648S/LT8648SP可完全满足汽车电子EMC标准CISPR 25 5级要求，实测结果如图7所示。

图5：Silent Switcher结构

图6：Silent Switcher 2 LT8609S内部

图7：LT8648S辐射电磁兼容性能曲线

图8：轻载和重载之间的负载瞬态响应

车辆行驶过程中，SoC的处理负载会瞬息万变、大幅波动。由于SoC的输入电流需求也会随之变化，电源IC必须具备优异的负载瞬态响应性能。如图8所示，即便遭遇大幅度负载电流跳变，LT8648S/LT8648SP也能快速恢复至设定输出电压，电压过冲与下冲幅度极小。这种特性对于为SoC供电的PMIC至关重要，因为后者允许的输入电压范围很窄。

车辆熄火待机时，低静态电流就成为关键指标。待机休眠模式下，SoC会周期性唤醒以执行检测任务，随后再次进入休眠，这种工作模式称为周期性唤醒。在此模式下，LT8648S/LT8648SP必须以极低功耗供电。ADI专利的Burst Mode®（突发模式）工作模式，可大幅降低轻载工况下的功耗。图9为突发模式与强制连续模式的开关波形及电感电流对比。突发模式不采用固定频率开关，仅在输出电压低于设定阈值时才开启开关，以此减少开关动作，在轻载条件下保持高效率。系统休眠时，可将同步引脚(SYNC)拉低，开启突发模式；正常工作时则将同步引脚拉高，启用强制连续模式。工作模式可在设备运行中无缝切换，且不会对输出电压造成扰动。

图9：强制连续模式和突发模式的开关波形

随着SoC性能持续迭代，负载电流需求预计还会进一步增大。如图10所示，两个LT8648S/LT8648SP器件可通过连接输入和输出来实现并联，从而提升可承载的负载电流。如图11所示，即便负载电流超过30A，输出电压偏差仍维持在极小水平。器件工作时可自动实现开关相位交错运行，避免并联工作状态下EMC性能出现劣化。