ZHCT945 June 2025 LM5137F-Q1
舱驾融合架构同时支持汽车信息娱乐系统和智能驾驶功能，与传统的舱驾分立架构相比，该架构集成度更高，模块化设计更灵活，支持L2+以上级别自动驾驶，同时满足座舱和智驾两大模块算力需求。为了实现这些功能，需要具备功率超过450W的高阶处理器，而为处理器供电的电源轨也迎来设计挑战，在提供高功率的同时，如何满足高效率，低纹波，快速的瞬态负载响应，高负载下的热管理以及功能安全的要求尤为重要。LM5137F-Q1四相交错降压方案是专门为解决高功率设计的挑战来设计。
高功率满足舱驾融合处理器电源设计要点
LM5137F-Q1具备可堆叠功能，两颗相同封装的LM5137F-Q1通过级联成一个四相交错稳压器，其中第一个控制器为主控制器，第二个为从控制器，为高性能的舱驾融合处理器提供大于450W功率。四相交错控制器通过四相交错并联，可以有效的降低输入输出电流纹波，且平均到每个电感器存储的能量降低可提高负载的瞬态性能并减小电感尺寸，原理图如图1。
图 1 两颗LM5137-Q1构成四相交错控制器在配置时，需要将主从控制器的SYNC，COMP，SS，和EN连接在一起，确保开关频率，运行模式能保持一致。与单相控制器相比，四相交错可有效减小纹波电流，从而减小输出电容器的纹波电压，减小的纹波电流可由公式1和公式2计算得出。
PCB布局布线注意事项
PCB布局布线对大功率四相交错Buck的性能来说至关重要，主要注意事项包括：大功率回路设计，dv/dt节点，驱动回路设计，电流采样信号线设计。电流采样信号线要采用差分形式，从而降低噪声的影响。大功率回路设计需要对热性能、噪声、尺寸进行折中优化，实现最大化降低回路寄生电感和功率器件温升效应的小尺寸方案。功率回路设计如图2，环路a承担输入开关电流，环路b承载输出开关电流，小面积回路设计实现了高功率密度和较低的回路寄生电感，同时该布局为开关管提供了最佳散热路径。
图 2 PCB功率回路在实际电路中，驱动回路的寄生电阻、寄生电感以及MOS栅极电容会导致栅极信号延迟。由于PCB面积限制，无法实现驱动电路的位置十分靠近MOS。如果驱动电路和MOSFET之间布线不合理，会增大寄生电感，仅仅nH量级的寄生电感就会和MOSFET源漏电容共振，从而产生振铃现象。为了尽可能减小寄生电感，如图3所示，需要尽可能减小驱动回路的面积。
图 3 PCB 驱动回路开关节点SW在开关管开关过程中会产生high dv/dt，形成强电场发射源，并且会通过寄生电容向临近线路耦合噪声。开关节点面积过大会引入额外的寄生电感，可能导致电压振铃或过冲，甚至超出开关管耐压范围。因此，采用图4布线方式减小high dv/dt节点的布线面积，从而降低电场辐射，耦合效应以及寄生效应。
图 4 High dv/dt回路基于LM5137F-Q1设计四相交错Buck的PCB如图5，四路输出对称式布局，通过四相交错方式可最大化降低输出电压的纹波以及四相之间的比较好的均流特性。
图 5 四相交错Buck PCB四相交错Buck测试结果
采用LM5137F-Q1设计的四相交错Buck在输出电流为42A条件下进行环路、纹波、效率、热性能、动态负载（最高跳变至83A）测试，可以满足市面上已发布的舱驾融合处理器的功率需求。
如图6所示，相位裕度约61°，增益裕度约-13dB，环路带宽约29kHz，环路稳定性满足要求。图7为输出电压纹波测试结果，峰峰值仅为16mV。效率曲线如图8所示，轻载下15mA-50mA典型值13.5V输入时效率超过80%，重载下42A典型值13.5V输入时效率超过94%. 轻载重载时效率均表现较好的特性。图9为四相Buck的热成像，在42A的输出电流情况下，温度仅为 98℃，热性能十分优异。图10为负载按照21A-42A-56A-83A-21A趋势动态跳变，可以看出超调电压仅为输出电压±3.5%，满足大功率舱驾融合处理器动态负载的要求。图11为负载按照21A-83A-56A-42A-21A趋势动态跳变，此时超调电压为输出电压±4.2%，这是由于负载在1us内从21A跳变到83A，输出电容放电不足导致电压跌落值略大，但仍然满足大功率舱驾融合处理器动态负载的要求。
图 6 环路测试结果
图 7 纹波测试结果
图 8 效率测试结果
图 9 热成像测试结果
图 10 动态负载测试结果1
图 11 动态负载测试结果2