適用于語音通信和數(shù)據(jù)通信的新型電源系統(tǒng)
如今新型廣播設備系統(tǒng)向著融合多媒體，語音通信和數(shù)據(jù)通信的方向飛速發(fā)展。因此在設計該類新型系統(tǒng)(例如高清晰度視頻交換系統(tǒng)與多功能視頻格式轉換器)時，除了要仔細挑選適當?shù)男盘柭窂叫酒惨x擇合適的電源管理方案。毫無疑問，好的電源管理方案可以提高信號路徑的性能。由于多媒體，語音通信和數(shù)據(jù)通信等廣播視頻提供了綜合的信號路徑應用解決方案而其產(chǎn)品具有先進性能，例如，在傳送距離較長時，信號仍可保持清晰而功耗也較少，信號抖動較少，而且封裝小巧，因此只占用很少的電路板面積。于是相應的對其數(shù)字電路應提供優(yōu)化的電源方案就成為是專業(yè)視頻廣播設備系統(tǒng)的基礎。
1 為數(shù)字電路提供優(yōu)化的電源方案的理念
信號是整個廣播視頻應用的主要元素。當模擬信號轉為數(shù)字信號時，必須確保整個信號轉換過程準確無誤。一般來說，數(shù)字音／視頻信號都由DSP或專用SoC負責處理。此外，也可能用到FPGA、存儲器及其他數(shù)字電路。
由于整個數(shù)據(jù)處理過程功耗很大，因此必須周密考慮選擇數(shù)字供電電源。挑選產(chǎn)品時要考慮系統(tǒng)是否有DSP、FPGA、微處理器或存儲器?是否帶有散熱管理IC以簡化復雜電子系統(tǒng)的設計？系統(tǒng)設計按甚么性能進行優(yōu)化等，然后再根據(jù)優(yōu)化性能將決定采用何種方案。
為此，在優(yōu)化的電源方案設計時要考慮五個因素：即效率、方案大小、易用性、性能及散熱性。效率是應用同步開關穩(wěn)壓器與多輸出穩(wěn)壓器；方案大小是指線性穩(wěn)壓器、開關電容器穩(wěn)壓器、高集成度開關穩(wěn)壓器及多輸出穩(wěn)壓器；而易用性是指線性穩(wěn)壓器、SIMPLESWITCHER與高集成度開關穩(wěn)壓器；性能是指大電流控制器、高集成度開關穩(wěn)壓器與多輸出穩(wěn)壓器；散熱性是指散熱管理IC。
其效率、方案大小、易用性、性能及散熱性五個因素中重要的是系統(tǒng)規(guī)定的技術參數(shù)，它們分別是輸入電壓與最大輸出電流及輸出通道。而輸入電壓應有VIN<7V與7VIN<25V及VIN<25V等三個指標；而最大輸出電流應有<1A與<3A及>10A等三個指標；而輸出通道應有單輸出與多輸出等二個指標。
2 為數(shù)字電路提供優(yōu)化的電源芯片例舉
2.1具有I2C兼容控制接口的高集成度電源管理器件(帶雙通道大電流降壓穩(wěn)壓器及雙通道線性穩(wěn)壓器)的LP3906型芯片.
主要特征：與高級應用處理器及FPGA芯片兼容,有兩個LDO可為處理器內(nèi)核及I／O口供電以及可獨立控制芯片功能及設定的高速串行接口,其內(nèi)部有高精度電壓參考電路與過熱保護及過電流保護技術,并可可利用軟件設定參數(shù). LP3906型芯片外形小尺寸5 x 4 x 0．8 mm LLP-24封裝.
相關應用：可在FPGA及數(shù)字信號處理器核心的供電系統(tǒng)與應用處理器與外圍設備I／O口等裝置上供電。
2.2 寬輸入電壓范圍的2A、500kHz雙輸出降壓穩(wěn)壓器的LM26400Y型芯片
主要特征：輸入電壓范圍與電流輸出分別為3V至20V和兩個2A輸出，而輸出電壓可調(diào)低至0.6V，有內(nèi)部補償與內(nèi)置啟動二極管和500 kHz的PWM開關頻率,可應用獨立的使能引腳與獨立的軟啟動引腳,獨特的頻率回折防護功能,是75 mΩ的NMOS開關。同樣具有過電流保護與過熱停機功能，為有eTSSOP-16及LLPl6兩種封裝。圖1為由LM26400Y型芯片引腳功能與應用連接的電源示意圖。
圖1為由LM26400Y型芯片引腳功能與應用連接的電源示意圖。
相關應用：可在DTV—LCD、機頂盒、XDSL終端與汽車電子、電腦外圍設備、工業(yè)控制及負載點等裝置上供電。
3 散熱管理IC簡化了當今要求復雜電子系統(tǒng)的設計、制造和維護
在當今日益復雜的許多電子系統(tǒng)中，通過分布于整個系統(tǒng)的許多分立傳感器來監(jiān)測和控制溫度、電壓和風扇轉速,從而不利于對系統(tǒng)設計、制造和維護。
ADT7462是一種靈活的系統(tǒng)監(jiān)測IC，適用于多種應用。它能夠監(jiān)測溫度和電壓，控制設備風扇轉速，并且它帶有數(shù)字引腳、報警輸入和輸出，采用32引腳LFCSP小型封裝提供上述全部功能。
除了監(jiān)測環(huán)境溫度，該芯片還能監(jiān)測三個遠程位置的溫度。使用這種溫度信息，ADT7462可以監(jiān)測四臺風扇以控制和調(diào)節(jié)溫度。增強的聲學特性和動態(tài)TMIN特性為聲音敏感的應用保證風扇非常安靜地運轉。該芯片可以監(jiān)測多達8臺風扇的轉速，當風扇停機或轉速下降到預置轉速下限時提供報警輸出指示。
ADT7462還集成了其它一些功能以簡化設計，無需折衷電池功耗。它能夠監(jiān)測多達13路電壓，包括一個專用VBATT輸入以監(jiān)測紐扣電池，而無需耗費電池本身的電能。外殼干擾輸入可以用來監(jiān)測系統(tǒng)外殼是否受到干擾，甚至關機系統(tǒng)。
主要特征：
1個本地和3個遠端溫度通道,有遠端通道串聯(lián)電阻補償及多達4個PWM風扇驅動輸出，可支持高頻和低頻PWM輸出,又有多達8通道TACH輸入與自動風扇轉速控制環(huán)路,可監(jiān)測3線和4線風扇的轉速與監(jiān)測多達13個電壓輸入及監(jiān)測多達7個電壓識別碼(VID) 輸入,并包括動態(tài)TMIN控制與外殼干擾檢測,可雙向復位。工作電壓為3．3 V和5 V, 擴展溫度范圍為-40℃一十125℃.尤其獨特的是它與SMBus 1.1和SMBus 1.0總線兼容。圖2為ADT7462引腳功能與外部裝置連接電源功能示意圖。
圖2為ADT7462引腳功能與外部裝置連接電源功能示意圖
應用：可在服務器和個人計算機、醫(yī)學圖像處理和診斷設備、通信設備及測試設備和測量儀器上使用。
4 LM26400Y穩(wěn)壓器為多重電軌系統(tǒng)供電應用舉例
現(xiàn)今典型的電子系統(tǒng)均設有多條直流電壓軌由負載點穩(wěn)壓器來供電。供應這些穩(wěn)壓器的輸入電軌可以是交流電適配器、中間總線、電池又或是一個USB電源軌。通常，最好是能找到一個電源解決方案能夠處理相對比較寬闊的輸入范圍，有一定的集成度和簡單易用。LM26400Y雙重降壓開關穩(wěn)壓器便是針對這種應用而設計。它不單擁有3V至20V的寬闊輸入電壓范圍，并且具備90％的保證最高工作周期，因此能夠處理各式各樣的降壓轉換工作。LM26400Y器件內(nèi)部綜合有一個功率場效應管和一個內(nèi)部環(huán)路補償，其兩種封裝TSSOP和LLP均提供有一個外露墊，能夠讓熱量從電路片散發(fā)出去電路板。
4.1可提高靈活性的功能特色
圖3是LM26400Y穩(wěn)壓器的簡化方塊圖，該器件特設有獨立的軟起動啟動腳和內(nèi)部的自舉二極管。穩(wěn)壓器的時序可由在不同的速率下觸發(fā)軟起動接腳而控制。對于一些沒有自舉偏置的系統(tǒng)，器件中的集成式自舉二極管則可簡化設計。兩條通道之間的切換頻率均同樣是500 KHz，但相位差為180度，以便削減輸入電容內(nèi)的交流電流。
圖3 LM26400Y穩(wěn)壓器的簡化圖
4.2 FPGA的上電
LM26400Y會在4.75V至13.2V的輸入電壓范圍下供電給FPGA。圖3中的例子采用了一個以FPGA為基的子系統(tǒng)，其在芯片內(nèi)擁有六個需要受電的功能： 電源VCCINT,功能-芯流核，電壓為1.2V；電源VCCAUX，功能-輔助，電壓為2.5V；電源VCC0 0-3,功能為4 I／0Banks0-3，電壓為1.2V／1.5／1.8／2.5／3.3V。
為了有效地配合不同的緩沖器標準來進行介接，器件中的四個I／O組能夠在五個不同的電壓級下工作。
假如要為FPGA設計一個合適的電源方案，那必須了解多一點關于應用的信息。芯片上六個功能所要求的功率可視乎利用比率的不同而產(chǎn)生劇烈的變化。
VCCAUX和VCCO 0屬于同一個電壓級并且可以共用一個穩(wěn)壓器。可是，在這個例子中，VCCO 0需要獨立地上電以滿足外圍器件的上電順序，因此一共有四條電壓軌會被使用。
所有四條電軌都可個別地緩升，只要在0.2毫秒至50毫秒之內(nèi)而且在單調(diào)的方式下，它們可一直升高直至達到其標稱值為止。對于這個要求，唯一要考慮的是VCCINT。根據(jù)數(shù)據(jù)表中的信息，假如VCCINT排得比VCCAUX更早，那在VCCINT軌上便可能帶有過剩電流(典型為366 mA)，并且會在VCCINT到達0.5V后在某處出現(xiàn)。
放置FPGA的電路板會被插入到兩類系統(tǒng)，一種供應12V±10％的輸入，而另一種則提供5V±5％的輸入。FPGA穩(wěn)壓器需要處理由4.75V至13.2V的輸入范圍，由于在 12V輸入下的功率損耗大得難以接收，故此在這里并不能采用線性方案。
根據(jù)以上的估計，再加上一點安全保證，那VCCINT和VCCO 0個別需要兩個高至2A的開關器、VCCAUX則需要一個大約1A的開關器、以及一個大約1．5A的開關器會供VCCO 1、VCCO 2和VCCO 3使用。一個LM26400Y穩(wěn)壓器可用來產(chǎn)生VCCINT和VCCAUX，而另一個則可用來產(chǎn)生I／O。圖4表示出VCCINT(1.2V)和VCCAUX(2.5V)電源的原理圖。
圖4表示出VCCINT(1.2V)和VCCAUX(2.5V)電源的原理圖
從FPGA的起動特性可知。雖然兩條通道共用一個15 nF的軟起動電容器，但VCCAUX的上升會比VCCINT快一倍，原因是前者具有較大的分壓比率。這樣，電源設計人員便可避免之前所提及的數(shù)百毫安過剩電流。至于另外的兩條FPGA電軌，VCCO 0(2．5)的電路采用與VCCAUX一樣的設計，而VCCO1／2／3(3．3V) 電路的情況亦都一樣，除了上層的回饋電阻器之外。VCCO 電路的啟動接腳沒有被連到輸入電壓，是因為外圍器件的潛在順序要求。
兩個獨立的ON信號會由系統(tǒng)所產(chǎn)生，它們會獨立地啟動VCCO電路。此外，它們都同時擁有獨立的軟起動電容器，每個的電容值都是15 nF。
5 可滿足處理器內(nèi)核電壓要求的新型PTH系列電源模塊技術
當今的高性能處理器對于電源都有很嚴格的要求。一般來說，電源需要至少兩個電壓。一個電壓用于滿足處理器內(nèi)核電壓要求，即VCORE，而其它電壓則用于滿足輸入輸出電壓要求，即VIO。
內(nèi)核電壓要求介于O.9V—1.3V之間，且通常取決于具體的處理器性能標準。最新的內(nèi)核電源電壓容差通常為±3％。大瞬態(tài)電流的出現(xiàn)使得推出可靠的處理器電源這一任務更具挑戰(zhàn)性。
為解決這些難題，己采用插入式快速瞬態(tài)響應電源模塊系列，這些高性能產(chǎn)品設計旨在提供結構緊湊、低成本且穩(wěn)定可靠的處理器內(nèi)核電源。
*對THS320TCl648x數(shù)字信號處理器提供優(yōu)化的電源
新型TMS320TCl648數(shù)字信號處理器是一個很好的高性能處理器范例。但該數(shù)字信號處理器的電源在電壓容差、噪聲以及瞬態(tài)方面有要求。如上述TMS320TCl648x DSP的要求：內(nèi)核電壓(VcoRE)=1V；VcoRE 容差為3％(DC容差為1.5％，交流瞬態(tài)為1.5％)；最大瞬態(tài)電流=5A；瞬態(tài)的最大峰值電壓偏差= VcoRE。
由于存在大的瞬態(tài)電流，利用傳統(tǒng)的解決方案幾乎不可能滿足±3％容差以及1V內(nèi)核電壓的要求。通常需要一款定制的電源模塊或采用專用控制設計的完全分立的解決方案。
*新型PTH系列電源模塊應用
新型PTH系列插入式電源模塊(屬第二代)包括非隔離式負載點電源模塊系列(如PTH04T230W型)與超高速瞬態(tài)響應模塊系列(如PTH04T230F),它們具有一種稱為TurboTrans的新型特性。該TI的TurboTrans技術可以幫助設計人員按客戶具體要求來完成電源模塊的控制設計，以滿足目標電壓偏差規(guī)范。這些PTH系列的產(chǎn)品具有如下三個主要優(yōu)勢。
輸出電容降低高達8倍。更少的電容可以節(jié)省成本及PCB空間。在高負載瞬態(tài)應用中，這兩方面的節(jié)省可與模塊本身的成本相當。
更快速的負載瞬態(tài)響應。對于輸出電容的一個給定值而言，設計人員可看到在一個負載瞬變之后輸出電壓峰值偏差會減少高達50％。
提高超低ESR電容器的穩(wěn)定性?？煞判牡夭捎米钚碌腛scon電容、聚合物鉭電容或所有陶瓷輸出電容，而不用擔心穩(wěn)定性的問題。
作為第二代PTH產(chǎn)品的一部分，這些產(chǎn)品設計旨在滿足高速處理器(如TMS320TCl648x系列)頗具挑戰(zhàn)性的電源要求。其控制設計得到了充分補償，超過了標準T2模塊的補償。從而實現(xiàn)了在瞬態(tài)響應方面的更多改進，并因減少了輸出電容而降低了成本。
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