随着电子设备的集成越来越累，使用越来越多，设计师不断面临降低成本、降低尺寸和电磁干扰的问题 (EMI) 压力。虽然电源的功率密度和效率也有所提高，但设计师仍面临着为异构处理架构开发多轨电源解决方案的问题，这可能是由 ASIC、DSP、FPGA 由微控制器组成。
传统上，降压 DC/DC 转换器用于为此类架构供电，但随着电源轨数量的不断增加，使用传统分立降压式 DC/DC 转换器和控制 IC、内外功率 MOSFET，此外，外部电感器和电容器可能会变得复杂和耗时。相反，设计师可以使用具有多轨和可编程顺序的自足降压 DC/DC 转换器模块。该模块可以更好地控制 EMI，发热较少，所需面积较小。
本文将回顾嵌入式设计的电源系统需求，讨论设计师需要考虑的各种方法和问题，然后介绍自给自足降压 DC/DC 模块的概念。然后，以 Monolithic Power Systems 以设备为例，简要回顾设计师需要记住的设计和布局，以充分发挥这些模块的性能优势。
为什么嵌入式系统需要大量的电源轨道？ 诸如 5G 基站等嵌入式设计旨在支持智能手机和智能互联网设备数据需求的增加。其应用包括家庭和工业自动化、独立驾驶车辆、医疗保健和智能可穿戴设备。通常使用这种基站 48 伏输入电源，经 DC/DC 转换器降至 24 伏或 12 伏，然后进一步降至 3.3 伏至 1 伏以下的许多子电源轨是基带处理阶段 ASIC、FPGA、DSP 与其他设备供电。通常，电源轨需要对启动和关闭进行排序，这将进一步提高电源系统的复杂性。
以 5G 例如，传统的基站 CPU 本身已不能满足处理要求。但是，使用加速卡和 FPGA 在系统可重构性、灵活性、开发周期短、高并行计算、低延迟等方面具有优势。 FPGA 电源空间越来越小，对电源轨的性能要求也很复杂(图 1）。
输出电压失衡：电压轨的输出电压偏差必须小于 ±3%，设计时要有足够的空间。去耦电容器应仔细使用和设计，以优化控制电路，提高带宽，确保其稳定性。
单调启动:所有电压轨的初始值必须单调上升，输出电压应在设计上回到起始值。
输出电压纹波：稳态运行时，所有电压轨的输出电压纹波（模拟电压轨除外）必须最高达到 10 毫伏 (mV)。
时序：FPGA 在启动和关闭期间，必须满足特定的时间顺序要求。
随着数据处理带宽的要求越来越高，处理器对电流和功率的要求也越来越高。加速器卡的计算密度和浮点速度越来越难以满足。加速器卡槽通常使用 PCIe 标准，所以板卡的尺寸是固定的。随着计算要求的不断提高，处理器的尺寸不断增加，电源空间变得非常小。
电源系统设计替代方案 传统的分立降压式 DC/DC 配备控制的转换器 IC、内外功率 MOSFET，再加上外部电感和电容，形成了嵌入式系统供电的一种方式。如上所述，当需要多轨电源解决方案时，对设计师来说是一个复杂耗时的过程。除了最大化效率和化和解决方案尺寸最小化外，设计师还必须小心滤波器元件的布局和放置，以减少转换器和电感电路中开关电流引起的传导和辐射 EMI（图 2）。
DC/DC 转换器通常通过输出功率 MOSFET 开关节点对地与输入电容对地之间形成的电流环的磁场产生传导 EMI。同时，这种转换器还通过 MOSFET 从开关节点到电感连接处产生辐射电场 EMI，由于该装置连续从高输入电压水平切换到地面，因此具有较高的水平 dV/dt，辐射电场将通过电感产生的电磁场产生 EMI。如果设计不当，往往会造成耗时 EMI 实验室重新测试和多次设计迭代。
采用分立降压 DC/DC 转换器向 ASIC 或 FPGA 四轨供电解决方案可占用 1220 平方毫米 (mm2)（图 3）。基于电源管理的使用 IC (PMIC) 解决方案可以将这个数字降低到最低 350mm2。作为替代方案，设计师可以使用独立的四输出 DC/DC 转换器模块将解决方案的尺寸缩小到只有 121 mm2.同时，简化设计流程，加快产品上市。半导体技术和包装结构的进步意味着最新一代 DC/DC 在较小的外观中，模块实现了非常高的功率密度、高效率和良好 EMI 性能。
封装内倒装芯片、网状连接引线框架等新的施工技术，意味着 IC、电感器和无源器件可以直接安装在导线框架上，而无需导线键合或额外内部 PC 板（图 4）。与使用内部 PC 与板基板或导线键合的旧结构相比，这些新技术可以最大限度地减少印刷线的长度，直接连接到无源元件可以保持低电感，从而最大限度地减少 EMI。
使用接点格栅阵列 (LGA) 封装形式，直接贴装至目标 PC 与其他引线相比，板上可以辐射 EMI 的单线 (SIL) 或 SIL 封装 (SIP) 型式转换器较低 EMI 曲线。
四路输出可编程集成 DC/DC 模块 为了满足嵌入式系统的多轨和高功率密度要求，设计师可以使用它 Monolithic Power Systems 的 MPM54304（图 5）。MPM54304 集成了完整的电源管理模块 4 高效降压 DC/DC 转换器、电感器和灵活的逻辑接口。MPM54304 在 4 伏至 16 伏的输入电压范围内工作， 可支持 0.55 伏至 7 伏输出电压。四个输出轨可以分别支持高达 3 安培 (A)、3 A、2 A 和 2 A 的电流。其中，两条 3 A 轨和两条 2 A 轨道可并联提供 6 A 和 4 A 电流。并联模式下的最大输出电流也受到总功率耗散的限制。通过这种方式，我们可以灵活地选择几种输出配置总功率耗散的限制)。
3 A、3 A、2 A、2 A 3 A、3 A、4 A 6 A、2 A、2 A 6 A、4 A
MPM54304 它还提供了启动和关闭的内部排序。可以多次编程 (MTP) 或通过电子保险丝 I2C 总线预编程导轨的配置和排序。
固定频率恒定时间 (COT) 控制式 DC/DC 转换器具有快速的瞬态响应能力。 1.5 兆赫 (MHz) 开关频率大大降低了外部电容器的尺寸。连续电流模式 (CCM) 工作期间，锁定开关时钟并从降压 1 到降压 4 移相。输出电压可通过 I2C 总线调节或 MTP 预设电子保险丝。
该装置具有全面的保护功能，包括欠压锁定 (UVLO)、过电流保护 (OCP) 和热关断。MPM54304 所需的外部部件数量很少，节省空间 LGA (7 mm x 7 mm x 2 mm) 封装（图 6）。LGA 扁平的形状适合板后布置或放置在散热器下。
注意设计和布局 MPM54304 边缘引脚布局简单，布局和 PC 板设计更容易 5 整体解决方案小巧紧凑的外部设备。LGA 封装使坚实的接地平面覆盖模块下的大部分区域，有助于封闭涡流电路，进一步减少 EMI。
该降压转换器的输入电流是不连续的，需要一个电容器向转换器提供交流电流，同时保持直流输入电压。设计师应使用低等效串联电阻 (ESR) 为了获得最佳性能，电容器。推荐使用 X5R 或 X7R 由于电介质陶瓷电容器， ESR 温度系数低，温度系数低。22 微法拉 (μF) 电容器就够了。
高效的 PC 板布局是 MPM54304 稳定运行的关键。建议使用四层，以达到更好的散热性能 PC 板（图 7）。为了达到最佳效果，设计师应该遵循这些准则。
尽量减少电源电路 直接用大型接地平面连接 PGND。如果底层是接地平面，则在 PGND 附近增加过孔。 确保 GND 和 VIN 大电流路径有短而直接的宽印线。 将陶瓷输入电容器尽可能靠近设备。 尽量保持输入电容和 IN 尽可能短，尽可能宽。 将 VCC 尽可能接近电容器 VCC 和 GND 引脚。 将 VIN、VOUT 和 GND 为了提高散热性能和长期可靠性，将大面积铜片连接起来。 将输入 GND 其他区域和顶层 GND 区域分开，内层和底层通过多个过孔连接在一起。 确保内层或底层集成 GND 区域 用多个过孔将电源平面连接到内层。
总结 随着处理架构的不断发展，为了应对苛刻的数据应用，设计师面临着开发多轨电源解决方案的挑战：要求这些解决方案支持更强的处理能力和更多不变或更小的电子设备。 DC/DC 转换器是关键，但实施很复杂。
如图所示，设计师可转向具有多电源轨和可编程排序功能的自足降压 DC/DC 转换器模块，简化设计流程，加快产品上市。与此同时，新的施工技术使这些自给自足的模块具有许多性能优势：更好地控制电磁干扰，改善散热，减少占地面积[体验] 嵌入式设计中的电源系统需求