新一代高頻大電流降壓芯片

全球經濟正敲打通信和云計算的時代大門，核心部件光模塊及CPU不斷升級，內部芯片也不斷更新迭代，這些都將對最前端技術產生影響。矽力杰推出新一代高頻大電流同步降壓轉換器SY72220，為通信及云計算設備提供更加優化的電源管理解決方案。

* 10MHz 20A 電源方案面積

SY72220

10MHz, 20A同步降壓穩壓器

◆  輸入電壓范圍：2.8V ~ 5.5V

◆  輸出電流：20A

◆  I2C可調頻率：3MHz/5MHz/10MHz

◆  I2C可調輸出電壓：0.4V~1.5V

◆  多次可編程存儲(MTP Memory)

◆  集成 2m? NMOS 同步整流器

◆  精確 ±1% 內部電壓基準

◆  超快線路和負載瞬態響應

◆  內置差分電路采樣輸出電壓

◆  內置軟啟動

◆  平滑預偏置啟動

◆  具有遲滯功能的熱警示和熱關斷保護

◆  集成UVLO/UVP/SCP/OCP

◆  緊湊型封裝：QFN3×4-16

方案簡介

* SY72220典型應用圖

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

SY72220可在2.8V到5.5V的輸入電壓范圍內穩定高效工作，適合各種低電壓系統。SY72220控制環路具有高增益帶寬誤差放大器，實現了快速的負載瞬態響應，動態響應的延時不超過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（OVP），輸出欠壓保護（UVP）和短路保護（SCP），以及逐周期過流保護（OCP），提高了系統可靠性。EN使能引腳和集成的UVLO對降壓轉換器的打開進行嚴格的控制。平滑的預偏置啟動最大程度上限制了啟動浪涌電流。

SY72220的超高開關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的設計要求，極大縮減了PCB布局的空間，為終端設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，以獲得極低的結至板熱阻。

極簡BOM設計，PCB布局緊湊

* 10MHz方案 vs 1MHz方案 尺寸對比

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

極高環路帶寬，超快動態響應

* SY72220典型負載瞬態響應

SY72220支持超快速負載瞬態響應，動態響應的延時不超過50ns。其高環路帶寬實現了在快速負載跳變時較小的輸出電壓跌落和過沖，為設備提供更加穩定的電源輸出。

工作頻率范圍寬，轉換效率高

* SY72220典型工作點效率曲線(Vin=3.3V, Vo=1V)

SY72220可通過I2C選擇3MHz、5MHz或10MHz開關頻率。SY72220通過優化內部功率管開通關斷的速度和導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的開關頻率下，峰值效率可達90%以上。

應用場景

應用示例一

手機等掌上電子設備內部空間有限，隨著CPU運算性能的不斷提升，需要有更高功率密度和超快速負載跳變響應的電源管理解決方案。這是SY72220芯片10MHz工作頻率的典型應用場景。

* 手機內部processer圖片

下面根據一組實際應用條件進行輸出電感電容參數設計。

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。

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

其次考慮滿足負載跳變的交流紋波要求。

◆  當從輕載跳重載時，容性負載電壓的ΔVundershoot由輸出容值，負載變化速率，環路響應延時，電感感值，輸入和輸入電壓值和最大占空比決定。不考慮響應延時，由階躍跳變時刻到輸出電壓最低點時刻的電荷守恒，可得ΔVundershoot表達式：

* 0A→8A負載階躍跳變仿真及理論計算

代入參數Vin=3.6V, Vo=1V, ΔIout=8A。

L=15nH, Dmax=ton/(ton+toff_min)=0.46。

當要求ΔVundershoot≤30mV, Co需滿足>=24μF。

◆  當從重載跳輕載時，容性負載電壓的ΔVovershoot由輸出容值，電感感值和輸出電壓決定。作同樣假設，并考慮輸出充高時下管可以一直打開，由階躍跳變時刻到輸出電壓最高點時刻的電荷守恒，可得ΔVovershoot表達式：

* 8A→0A負載階躍跳變仿真及理論計算

當要求ΔVovershoot≤30mV,代入參數，Co需滿足>=16μF。

同時滿足輸出電壓ac紋波±30mV的要求，輸出容值應不小于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，其等效串聯寄生電感會在諧振頻率之后驟增，使輸出電壓紋波變大。三端子低ESL多層陶瓷電容器因為內部結構相當于多個電流路徑并聯，大大減小了ESL和ESR等寄生參數。為了進一步減少輸出電壓紋波，建議采用三端子電容應用于5MHz及以上開關頻率。

同時考慮輸出電壓的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。

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供電應用條件的輸出無源元器件設計

實測負載跳變輸出電壓ac紋波≤±30mV。

*負載跳變波形

10MHz工作頻率下，全負載范圍內輸出電壓dc紋波≈5mV。

* 10MHz輸出電壓紋波

芯片工作在半載達到熱平衡時，芯片溫升不超過40℃。

* 熱成像圖

應用示例二

* 數據中心光模塊系統框圖

光模塊系統3.3V電源軌是SY72220芯片3MHz和5MHz工作頻率的一個典型應用場景，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。基于SY72220芯片的模組可以通過三維框架設計，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的電源設計。

* 基于SY72220的模組概念圖

同時考慮電感高度和輸出電容的數量，則滿足一組光模塊應用條件的輸出電感電容值如下表：

* 滿足光模塊系統的不同頻率下的輸出電感電容值

輸出電壓dc紋波在兩個開關頻率下均滿足≤5mV。

*3MHz&5MHz輸出電壓紋波測試

(Vin=3.3V, Vo=0.95V, Iout=15A)

3MHz&5MHz的兩個工作頻率下，滿載效率可以達85%以上，芯片溫升不超過50℃。

*3MHz&5MHz溫升和效率曲線

(Vin=3.3V, Vo=0.95V, TA=27℃)