【導讀】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，使設計人員能夠滿足嚴苛的瞬態(tài)和效率要求，而不必犧牲寶貴的電路板空間。先進的多相架構支持快速瞬態(tài)響應，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)壓器實現(xiàn)的實際方案。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)，如云服務器、電信基礎設施和先進的工業(yè)自動化設備，通常要求在日益受限的空間內(nèi)實現(xiàn)更高性能。面對負載電流需求不斷上升，同時電路板面積不斷縮小，設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)最小化變得日益關鍵。
LTM4732采用超薄、大電流多相架構及ADI公司突破性的Silent Switcher? 3 (SS3)技術來應對上述挑戰(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、對高度有嚴格限制、每一毫米都彌足珍貴的應用。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，實現(xiàn)了優(yōu)異的噪聲性能，低頻輸出噪聲低至4μV rms，傳導和輻射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轉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)的嚴格噪聲要求。高轉換效率使功率損耗和發(fā)熱量進一步減少，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，實現(xiàn)出色的效率、噪聲和瞬態(tài)響應性能。在多相拓撲中，數(shù)個轉換器相位并聯(lián)操作，每相以相同頻率開關，但與其他相位保持固定的相移。開關事件的交錯是此種架構的核心優(yōu)勢所在。
相位交錯與紋波降低
當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°。這種交錯使開關事件在開關周期中均勻分布，從而有效提高了輸出紋波頻率：
其中，N為相數(shù)，fsw為每相的開關頻率。
更高的有效紋波頻率，外加輸出節(jié)點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，設計人員得以利用更小的輸出電容達到嚴格的紋波目標，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
在快速負載瞬變期間，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，同時縮短負載獲得電流供給的間隔。
因此，瞬態(tài)負載需求分布在多個相位上，每安培負載階躍的瞬時電壓偏差得以降低。測量結果顯示，在大負載轉換期間，即使輸出電流水平較高，電路也能穩(wěn)定恢復，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，同時熱和電應力分散至各相，因而可靠性更高，熱管理更簡單。
多轉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用中，多相架構極具價值。
LTM4732應用于多相架構的設計考量和指南
概述
在多相應用中使用LTM4732時，必須重點關注配置、同步和布局，以確保實現(xiàn)最優(yōu)性能和可靠的均流。本部分總結了大電流應用的實用指南和最佳實踐，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償，對于準確均流和穩(wěn)定運行至關重要。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降壓轉換器配置，模塊交錯并聯(lián)
時鐘同步和相位鎖定
多個LTM4732轉換器經(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現(xiàn)。為確?？煽客?，主相的自由運行振蕩器頻率在同步之前應設置為至少比從相高20%，并且主相的CLKOUT施加于從相的SYNC。
PHMODE引腳設置轉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浮空以實現(xiàn)120°的相移，而對于四相操作，PHMODE連接到INTVCC以實現(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
測量結果與性能驗證
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載電流下的效率。在4A負載下，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，原因是多相分擔負載時，每相的RMS電流會減少，且導通損耗會降低。
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。
在整個工作負載范圍內(nèi)，實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，符合預期。四個交錯相位分擔負載電流，每相的電流應力得以降低，有助于抑制每個模塊內(nèi)的導通損耗，并使系統(tǒng)能在更高負載水平下穩(wěn)定運行。
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，運行期間未觀察到局部熱點。器件峰值溫度受到良好控制，證明多相配置中均流和熱擴散十分有效。這種均衡的熱特性有助于提升電流輸出能力，并增強熱受限應用中的系統(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，實測得到的效率、功耗和熱結果證實：四相LTM4732方案具備穩(wěn)健的大電流性能，損耗可控，熱應力分布均勻。
瞬態(tài)響應
圖6顯示了四相配置對8A至16A負載階躍的輸出電壓響應。在大負載轉換期間，轉換器保持了受控的電壓偏差和穩(wěn)定的恢復性能。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。按所應用負載階躍歸一化后的電壓偏差測量結果表明，多相架構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，瞬時電壓跌落得到有效抑制，系統(tǒng)在高動態(tài)負載情況下也能實現(xiàn)快速瞬態(tài)恢復。
圖6：四相操作的負載階躍瞬態(tài)波形
波特圖（頻率響應）
圖7展示了四相配置在標稱工作條件下測得的控制環(huán)路增益和相位響應。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)定運行。測得的交越頻率約為66kHz，相位裕度為53°，瞬態(tài)響應與穩(wěn)定性實現(xiàn)了平衡。沒有觀察到低頻不穩(wěn)定性或過大峰化現(xiàn)象，且交越點后的環(huán)路增益平穩(wěn)下降，符合預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。
? 利用熱成像技術識別熱點，并驗證熱分布均勻。
結論
LTM4732為空間受限應用中的大電流、低噪聲電源傳輸樹立了新的性能標桿。憑借超薄外形、先進的多相交錯設計和SS3技術，LTM4732實現(xiàn)了出色的效率、極低的輸出噪聲和穩(wěn)健的EMI性能。實測結果證實，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，讓許多設計不再需要后置穩(wěn)壓LDO。
只要遵循本文概述的設計考量和最佳實踐，工程師就能在要求嚴苛的系統(tǒng)中自信地采用LTM4732，實現(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計提供了一種靈活且面向未來的方法。
參考文獻
1 Erik Lamp、Xinyu Liang，“面向大電流、快速瞬態(tài)響應、噪聲敏感型應用的多相解決方案——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)部的高級設計評估工程師。她擁有印度Jeppiaar工程技術大學電氣與電子工程學士學位，以及美國亞利桑那州立大學電氣工程碩士學位。2021年，她加入ADI公司，主要從事高性能功率模塊的開發(fā)和設計評估。
George (Zhijun) Qian是ADI公司μModule?事業(yè)部的高級設計經(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擁有浙江大學電力電子學士和碩士學位，以及美國中佛羅里達大學電力電子博士學位。
