面向高密度应用的多相、超薄、低噪声电源解决方案

时间：2026-06-22 15:59:39

关键字：多相电源稳压器转换器

[导读]超薄、低噪声、多相电源解决方案，正不断突破高密度电子系统的传统限制。此类解决方案兼具小尺寸与大电流能力，使设计人员能够满足严苛的瞬态和效率要求，而不必牺牲宝贵的电路板空间。先进的多相架构支持快速瞬态响应，输出纹波更低，散热性能更佳，对于散热受限且重视信号完整性的应用非常有帮助。

摘要

超薄、低噪声、多相电源解决方案，正不断突破高密度电子系统的传统限制。此类解决方案兼具小尺寸与大电流能力，使设计人员能够满足严苛的瞬态和效率要求，而不必牺牲宝贵的电路板空间。先进的多相架构支持快速瞬态响应，输出纹波更低，散热性能更佳，对于散热受限且重视信号完整性的应用非常有帮助。

本文介绍了一个使用超薄、低噪声µModule®稳压器实现的实际方案。通过利用多相交错和并联操作，该方案以紧凑的尺寸实现了极低的输出噪声和电磁干扰(EMI)，同时将输出电流提升至16A。这种方法特别适用于数据中心、5G电信和工业自动化应用中的敏感模拟电路、高速数据接口和密集排布的PCB。

引言

现代电子系统，如云服务器、电信基础设施和先进的工业自动化设备，通常要求在日益受限的空间内实现更高性能。面对负载电流需求不断上升，同时电路板面积不断缩小，设计人员必须在不牺牲效率、噪声性能和信号完整性的前提下，交付稳健的大电流解决方案。与此同时，敏感模拟电路和高速数据接口的广泛使用，使得低噪声和电磁干扰(EMI)最小化变得日益关键。

LTM4732采用超薄、大电流多相架构及ADI公司突破性的Silent Switcher® 3 (SS3)技术来应对上述挑战。这款μModule®稳压器尺寸仅为6.25mm × 4mm × 1.92mm，非常适合空间有限、对高度有严格限制、每一毫米都弥足珍贵的应用。整体高度近乎等同于贴片焊接的1206封装电容，支持安装在PCB的背面，从而腾出电路板正面的空间。这款器件通过集成SS3技术，实现了优异的噪声性能，低频输出噪声低至4µV rms，传导和辐射EMI显著降低。传统低压差(LDO)稳压器常常以效率为代价换取低噪声性能，而且可能需要在开关转换器之后再加一级稳压电路。相比之下，LTM4732在单个紧凑的模块中同时实现了高效率和超低噪声特性。如此一来，电源系统无需额外的LDO级，设计得以简化，同时仍能满足敏感模拟系统和高速数字系统的严格噪声要求。高转换效率使功率损耗和发热量进一步减少，因此该解决方案非常适合重视散热性能和能效的应用。

功率模块中的多相操作和交错

现代大电流功率模块（如LTM4732）利用多相操作，实现出色的效率、噪声和瞬态响应性能。在多相拓扑中，数个转换器相位并联操作，每相以相同频率开关，但与其他相位保持固定的相移。开关事件的交错是此种架构的核心优势所在。

相位交错与纹波降低

当N个相位交错时，每个相位的时间偏移为：

例如，在一个四相系统中，每相偏移90°。这种交错使开关事件在开关周期中均匀分布，从而有效提高了输出纹波频率：

其中，N为相数，fsw为每相的开关频率。

更高的有效纹波频率，外加输出节点上相电流的部分抵消，使得输出电压纹波大幅降低。对于理想的多相系统，峰峰值纹波电压大致与相数成反比。因此，设计人员得以利用更小的输出电容达到严格的纹波目标，从而减少电路板面积和元器件数量。

输出电容和瞬态响应

在快速负载瞬变期间，初始输出电压偏差主要取决于在控制环路响应之前，电路能以多快的速度将电流输送至输出电容。在交错多相转换器中，相位交错可提高输出端的有效纹波频率，将纹波能量推至更高频率，同时缩短负载获得电流供给的间隔。

因此，瞬态负载需求分布在多个相位上，每安培负载阶跃的瞬时电压偏差得以降低。测量结果显示，在大负载转换期间，即使输出电流水平较高，电路也能稳定恢复，并将电压偏移控制在合理范围内。

电流升降与热管理

多相操作的另一个优势是电流升降非常简单。总输出电流能力随相数线性增长：

多模块并联可提高总电流输出，同时热和电应力分散至各相，因而可靠性更高，热管理更简单。

多转换器相位交错可降低输出纹波，并使热量在各相之间均匀分布，从而提升电流能力和效率。因此，在重视噪声和散热管理的高性能应用中，多相架构极具价值。

LTM4732应用于多相架构的设计考量和指南

概述

在多相应用中使用LTM4732时，必须重点关注配置、同步和布局，以确保实现最优性能和可靠的均流。本部分总结了大电流应用的实用指南和最佳实践，包括如何并联多个模块、有效降低噪声、管理热性能等。

并联配置

为了通过单路输出支持更高的负载电流，可将两个或更多模块并联配置，也就是将所有器件的VIN、VOUT、VOSNS和COMP引脚连在一起。这种配置可确保所有相位共享电压检测和补偿，对于准确均流和稳定运行至关重要。图1展示了一个四相配置，所有模块并联连接。

图1：四相LTM4732降压转换器配置，模块交错并联

时钟同步和相位锁定

多个LTM4732转换器经过配置，可支持多相操作，具体可通过从相与主相时钟同步来实现。为确保可靠同步，主相的自由运行振荡器频率在同步之前应设置为至少比从相高20%，并且主相的CLKOUT施加于从相的SYNC。

PHMODE引脚设置转换器之间的相对相移。PHMODE接地时，相移为180°；PHMODE浮空时，相移为120°；PHMODE连接到INTVCC或大于3V的外部电源时，相移为90°。对于三相操作，PHMODE浮空以实现120°的相移，而对于四相操作，PHMODE连接到INTVCC以实现90°的相移，分别如图2a和2b所示。

这种配置可确保相位交错具有确定性，从而降低输出纹波并改善EMI性能。

图2：反映各相之间120°和90°相移的波形：(a)三相配置；(b)四相配置

测量结果与性能验证

效率、功率损耗和热性能

图3比较了单相和四相配置在不同负载电流下的效率。在4A负载下，四相配置的效率为83%，优于单相配置的75.5%。效率之所以提升，原因是多相分担负载时，每相的RMS电流会减少，且导通损耗会降低。

图3：单相与四相LTM4732配置的效率比较

我们在稳态负载条件下评估了四相配置的效率、功率损耗及热行为，以表征其在高输出电流下的系统级性能。

在整个工作负载范围内，实测效率保持较高水平，同时总功率损耗随输出电流提升逐渐增加，符合预期。四个交错相位分担负载电流，每相的电流应力得以降低，有助于抑制每个模块内的导通损耗，并使系统能在更高负载水平下稳定运行。

图4：四相交错LTM4732在1MHz fSW、12VIN和1VOUT下的效率和功率损耗

热像图表明，四个模块的温度分布均匀，运行期间未观察到局部热点。器件峰值温度受到良好控制，证明多相配置中均流和热扩散十分有效。这种均衡的热特性有助于提升电流输出能力，并增强热受限应用中的系统可靠性。

图5：四相交错LTM4732演示板在1MHz fSW、12VIN和1VOUT下的热像图

总之，实测得到的效率、功耗和热结果证实：四相LTM4732方案具备稳健的大电流性能，损耗可控，热应力分布均匀。

瞬态响应

图6显示了四相配置对8A至16A负载阶跃的输出电压响应。在大负载转换期间，转换器保持了受控的电压偏差和稳定的恢复性能。输出快速建立，没有持续振荡，表明环路具有足够的稳定性，且各相的电流分配有效。按所应用负载阶跃归一化后的电压偏差测量结果表明，多相架构不仅具备高效的电流传输能力，而且呈现出较低的有效输出阻抗。由于电流由各相分担，瞬时电压跌落得到有效抑制，系统在高动态负载情况下也能实现快速瞬态恢复。

图6：四相操作的负载阶跃瞬态波形

波特图（频率响应）

图7展示了四相配置在标称工作条件下测得的控制环路增益和相位响应。环路表现出明确的单一交越频率和足够的相位裕度，表明系统在整个频率范围内能够稳定运行。测得的交越频率约为66kHz，相位裕度为53°，瞬态响应与稳定性实现了平衡。没有观察到低频不稳定性或过大峰化现象，且交越点后的环路增益平稳下降，符合预期的电流模式控制行为。