高電流功率轉(zhuǎn)換解決方案

   在電壓不斷降低的情況下增加輸出電流這個日益高漲的要求將繼續(xù)對電源開發(fā)起到推動作用。該領(lǐng)域的進步大多歸功于功率轉(zhuǎn)換技術(shù)所取得的成果,尤其是電源ic和功率半導體組件方面的改進。一般來說,這些組件是通過在盡可能不影響功率轉(zhuǎn)換效率的情況下提高開關(guān)頻率來改善電源性能。這可以通過在降低開關(guān)和通態(tài)損耗的同時提供高效散熱來實現(xiàn)。然而,輸出電壓的日益降低對這些做法施加了更大的壓力,進而引發(fā)了嚴重的設(shè)計難題。

多相拓撲結(jié)構(gòu)

  對于由兩個或更多的轉(zhuǎn)換器來對單個輸入進行處理的拓撲結(jié)構(gòu)（此時,各轉(zhuǎn)換器同時運行,但處于不同的鎖定相位）而言,多相被認為是一個通用術(shù)語。這種方法可降低輸入紋波電流、輸出紋波電壓并減少總rfi特征,同時實現(xiàn)了高電流單輸出或多個較低電流輸出以及完全穩(wěn)定的輸出電壓。它還允許采用較小的外部組件,對于單片式器件而言,這將提升輸出電流能力,因為多個較小的mosfet能夠很容易地制作在“芯片之上”。另外,這還兼有改善熱管理的好處。

  凌特公司（ltc）把多相、單輸出電路命名為polyphase ,而將多輸出、單輸入電源視作普通的多相。多相拓撲結(jié)構(gòu)可被配置成降壓型、升壓型、甚至正激式,不過一般來說降壓是更加常見的應(yīng)用。ltc既制造單片式解決方案（所有的功率半導體組件均被集成于器件之中）,也制造控制器解決方案。控制器解決方案通常用于功率較高的場合（一般高于15~20w）,并需要采用外部分立式mosfet。

  因此,polyphase操作在需要產(chǎn)生一個高電流輸出的場合使用（例如：作為“磚”型dc-dc轉(zhuǎn)換器的替代者）,而多相操作則在需要多個具有不同電壓值的輸出的場合使用（比如：用作小型系統(tǒng)中的fpga或處理器電源的2.x v和1.x v電壓）。

ltc3708和ltc3709系列顯示了上述的重要差異,見圖1和圖2。

  如圖1和圖2所示,輸入濾波器要求是非常相似的;兩款電路的輸入紋波電流均有所下降,這是因為采用了多相拓撲結(jié)構(gòu)所致。然而,只有l(wèi)tc3709（在右側(cè)）的輸出濾波器尺寸由于輸出紋波電流的求和作用而得以減小。

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polyphase降壓應(yīng)用

   電源設(shè)計所面臨的最大挑戰(zhàn)之一是在高負載電流條件下實現(xiàn)高降壓比。此外,維持高轉(zhuǎn)換效率、符合嚴格的瞬態(tài)響應(yīng)條件以及最大限度地縮小板級空間也都是必需滿足的要求。典型應(yīng)用需要所有這些性能水平,這包括微處理器、dsp和fpga電源。

   對于中等功率系統(tǒng),兩相、同步降壓型開關(guān)控制器（例如：ltc3708/9）采用一種帶鎖相環(huán)（pll）的恒定接通時間架構(gòu)以及谷值電流控制架構(gòu), 旨在提供卓越的瞬態(tài)響應(yīng)和非常低的占空比。它們不需要使用一個輸出電流檢測電阻器,原因是這些器件采用了一種無檢測電阻器（no rsensetm）功能來監(jiān)視電源開關(guān)兩端的電壓,以確定安全的工作電流。

   在較高的功率電平條件下,可擴縮型多相控制器（例如：ltc1629/3729）采用輸入和輸出紋波電流抵消（通過對多個并聯(lián)功率級的時鐘信號進行交錯處理來實現(xiàn)）來縮減電容器和電感器的尺寸和成本。通過把pwm電流模式控制器、真正的遠端采樣、可選的定相控制、固有的電流均分能力、高電流 mosfet驅(qū)動器以及各種保護功能（比如：過壓保護、任選的過流鎖斷和折返電流限制）集成在單個集成電路之中,polyphase轉(zhuǎn)換器有助于最大限度地減少外部組件數(shù)目和簡化整個電源設(shè)計。由此實現(xiàn)的制造簡單性有益于改善電源的可靠性。人們最終獲得的將是一款通用的可擴縮型系統(tǒng),該系統(tǒng)最多可擴展至 12相,以提供高達200a的大電流輸出。

逐級遞減（stage sheddingtm）操作

   在高電流系統(tǒng)中,功耗以及由之產(chǎn)生的熱量是很重要的問題,因此,電源的效率必須盡可能地高。在polyphase架構(gòu)中,兩個或更多的通道異相運作,從而最大限度地減小了輸入rms電流以及輸入電源路徑中的功耗。通過利用底端mosfet來檢測電流,就不會產(chǎn)生由檢測電阻器所引起的額外功耗（no rsense）,而且,功能強大的板載同步mosfet驅(qū)動器可有效地抑制開關(guān)損耗。然而,在輕負載條件下,polyphase系統(tǒng)中的開關(guān)損耗仍將成為主要的功耗,而對許多用戶來說這可能是一個問題。例如,在一個未插滿板卡的機架系統(tǒng)中便是如此。

  ltc3731采用了逐級遞減（stage sheddingtm）操作,該操作模式可在輕負載條件下提升效率,見圖3。在逐級遞減模式中,第二相在輕負載時被關(guān)斷,從而使輕載開關(guān)損耗減半。如果負載進一步降低,則不允許電感器電流發(fā)生反向,開關(guān)頻率最低可降至維持調(diào)節(jié)狀態(tài)所需的水平,同時保持了很高的效率。

瞬態(tài)響應(yīng)

   當今的電源設(shè)計常常同時需要高降壓比和快速動態(tài)響應(yīng)。通過增加輸出紋波頻率(因而最大限度地減小了輸出電感器和濾波器的數(shù)值),polyphase 轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)絕佳的瞬態(tài)響應(yīng)。此外,高速工藝還可實現(xiàn)控制器動態(tài)范圍的擴展。例如：傳統(tǒng)的恒定頻率控制器的最小接通時間為幾百納秒(ns),而 ltc3709則實現(xiàn)了85ns(典型值)的最小ton,以獲得出色的動態(tài)響應(yīng)特性。同樣,ltc3708獨特的無時鐘延遲操作方式也可實現(xiàn)非常快速的負載瞬態(tài)響應(yīng)、允許采用極少的輸出電容器、并縮減了解決方案的成本和板級空間。

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低功率polyphase升壓應(yīng)用

  諸如ltc3425等單片式polyphase升壓型轉(zhuǎn)換器能夠提供超過12w的輸出功率,而且,與相似的單相升壓型轉(zhuǎn)換器相比,其外形尺寸更小、效率更高、更加扁平、輸出紋波也更低。這些器件適合各種輸入電壓應(yīng)用,從1~4.5v不等。輸出電壓范圍為2.4~5.25v,峰值電流能力為5a。
  高頻（每相高達2mhz）四相架構(gòu)（就像ltc3425所采用的那樣）允許使用若干個小巧、低成本的電感器（而不是一個龐大笨重的電感器）,而且所需的輸出濾波器電容比等效的單相電路小得多,這是由于有效輸出紋波頻率高達8mhz所致。此外,所有需要的功率mosfet均被制作在芯片上。對于空間受限的電路板、負載點穩(wěn)壓器以及要求采用扁平組件的便攜式設(shè)備來說,這是很理想的選擇。

易用性

  設(shè)計多相轉(zhuǎn)換器與設(shè)計傳統(tǒng)的單相升壓型轉(zhuǎn)換器并沒有什么不同。所有的電源開關(guān)都是內(nèi)置的,因此四相操作是透明的。所有4個相位的電流限值和開關(guān)頻率均由一個電阻器來設(shè)置,這與單相設(shè)計是相同的。輸出電壓的設(shè)定以及環(huán)路的補償與其他的常見設(shè)計也并無差別。ltc還在其網(wǎng)站上提供了免費下載的綜合性 cad和spice工具,用于為更加復雜的仿真提供幫助。

  ltc3425的同步四相架構(gòu)在很寬的負載范圍內(nèi)實現(xiàn)了高效率,并允許采用扁平組件,見圖4。3/4的輸出紋波電流降幅令其能夠采用小型、成本較低的陶瓷電容器來實現(xiàn)非常低的輸出電壓紋波。對于那些對噪聲敏感的應(yīng)用,用戶能夠在自動或手動突發(fā)模式操作之間以及脈沖跳躍模式或強制連續(xù)導通模式之間進行選擇。所有這些功能以及輸出斷接、軟起動、1 a停機電流、抗振鈴控制、熱停機、一個緩沖基準輸出和一個電源良好輸出均被集成在一個小外形（5mm x 5mm）的耐熱增強型qfn封裝。
      許多便攜式應(yīng)用對組件的高度都有嚴格的限制。對于功率轉(zhuǎn)換器來說,這將會是一個難題,因為在那些高度最大的組件當中,往往都包括電感器和濾波電容器。四相架構(gòu)是這些應(yīng)用的理想選擇,即使在組件高度僅1.55mm、占板面積為3.2mm 2.5mm的情況下也不例外。一個完整的5w功率轉(zhuǎn)換器可以安裝在20mm 16mm的空間之內(nèi)。

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   圖5給出了一款采用ltc3425來實現(xiàn)從兩節(jié)鎳鎘電池或鎳氫電池至3.3v升壓的典型應(yīng)用電路。該設(shè)計能夠在每相1mhz的開關(guān)頻率條件下以高達94% 的效率來提供2a以上的負載電流（4mhz輸出紋波頻率）。最大組件高度僅2.05mm,并在一個非常寬的負載范圍內(nèi)保持了高效率。

 
  該實例的一個重要的特點是可編程自動突發(fā)模式操作,它使得用戶能夠設(shè)定轉(zhuǎn)換器進入突發(fā)模式操作的負載電流,從而提升了輕負載條件下的效率。對于不能夠由主機來對操作模式進行手動控制的系統(tǒng)而言,這是很理想的。由于突發(fā)模式電路監(jiān)視的是平均輸出電流（而不是峰值電感器電流）,因此模式門限將不受輸入電壓波動的影響。在本例中,由r4將突發(fā)模式門限設(shè)定為100ma。當平均負載電流降至100ma以下時,器件將進入突發(fā)模式操作,當負載電流再次增加時,器件將退出突發(fā)模式操作并返回固定頻率操作。電容器c3用于濾除burst引腳上的開關(guān)紋波。

  在本例中,由于vout引腳上體電容的原因,故只需要一個補償電容器。由rff和cff所組成的前饋網(wǎng)絡(luò)用于在突發(fā)模式操作中減小輸出紋波,并在負載階躍期間進一步改善瞬態(tài)響應(yīng)。它還降低了fb引腳上的高頻阻抗,從而允許采用大阻值的反饋電阻器,以實現(xiàn)輕負載效率的最大化。
  對于那些對成本敏感的應(yīng)用或者希望通過降低最大電流能力來減小電路板面積的場合,只需去掉其中的一個或兩個電感器便可把ltc3425用作一個兩相或三相轉(zhuǎn)換器。

電源跟蹤

  當今電子系統(tǒng)復雜的電源電壓跟蹤和排序要求是設(shè)計師必須考慮的另一個因素。如果未對這些要求給予足夠的重視,就會導致器件立即遭到破壞,或者在實際使用中過早地發(fā)生故障。

   電壓跟蹤要求通常規(guī)定兩個電源之間的電壓差一定不得超過某一確定的限值。該約束條件始終適用,在上電、斷電和穩(wěn)態(tài)操作期間都是如此。電源排序要求則與之不同,它指定的是電源上電和斷電的順序。

   不良電源跟蹤或排序的惡劣后果常常是性能的不可預測性,甚至會對系統(tǒng)中的器件造成無法修復的損壞。fpga、pld、dsp和微處理器一般都在內(nèi)核與i/o電源之間布設(shè)了二極管,作為內(nèi)部esd保護組件。如果電源違反了跟蹤要求并對保護二極管施加了正向偏壓,則器件有可能受損或無法正確執(zhí)行上電操作。[!--empirenews.page--]

  在其他場合,當i/o電源先于內(nèi)核電源上電時,內(nèi)核中的未定義邏輯狀態(tài)會在i/o電路中引發(fā)過大的電流。即使在系統(tǒng)的各個組件并不要求電源跟蹤或排序的情況下,整個系統(tǒng)仍然有可能要求進行電源排序,旨在實現(xiàn)正確的運作。

  針對電源跟蹤和排序的一種簡單而通用的解決方案（沒有因采用串聯(lián)mosfet所產(chǎn)生的缺點）可采用ltc2923來實現(xiàn)。通過選擇少量的電阻器,即可對電源進行配置,以使之按照多種電壓模式來斜坡上升或下降。
  許多電壓跟蹤解決方案都采用了串聯(lián)mosfet,這會導致產(chǎn)生固有壓降、額外的功耗并占用更大的pc板級空間。而ltc2923是通過把電流注入其反饋節(jié)點來控制電源的,從而避免了串聯(lián)mosfet解決方案所固有的調(diào)整組件損耗。電源穩(wěn)壓性和瞬態(tài)響應(yīng)不會受到影響,這是因為注入電流在使輸出電壓產(chǎn)生偏移的時候并未改變電源控制環(huán)路的動態(tài)特性。ltc的許多dc/dc轉(zhuǎn)換器如ltc3736、ltc3828以及諸如ltc3415、ltc3416等單片式降壓型轉(zhuǎn)換器都具有電源跟蹤功能。

電壓裕度調(diào)節(jié)

  高性能和高可靠性系統(tǒng)通常都要求進行最終檢驗或自動化自測試,以在其調(diào)節(jié)范圍的上限和下限處確保額定性能和供電電壓。這種測試常常被稱作“電源裕度調(diào)節(jié)”或“電壓裕度調(diào)節(jié)”,一般是通過強制系統(tǒng)中的電源模塊或dc/dc轉(zhuǎn)換器至其標稱電壓的 5%來完成的。一旦供電電壓穩(wěn)定于經(jīng)過裕度調(diào)節(jié)的電壓,即可對系統(tǒng)性能進行評估。

  能夠簡化電源裕度測試并特別適合多電源應(yīng)用的器件目前已經(jīng)面市。ltc2920系列單信道和雙信道電源裕度調(diào)節(jié)控制器提供了一種旨在實現(xiàn)板上電源裕度調(diào)節(jié)功能以及極短的設(shè)計時間和極小的板級空間的簡易而準確的方法。越來越多的ltc產(chǎn)品開始擁有裕度調(diào)節(jié)功能,比如：ltc3720和ltc3415。

低電壓復位

  在低輸入電源電壓條件下確立復位節(jié)點上的正確邏輯狀態(tài)是困擾著許多電源監(jiān)控ic的一個問題。在上電之前,外部漏電流往往將把復位節(jié)點的電壓驅(qū)動至微處理器輸入的邏輯門限以上,這會阻止正確的起動操作,甚至引發(fā)潛在的系統(tǒng)可靠性問題。當電源電壓處于其監(jiān)控門限以下時,復位節(jié)點上的期望狀態(tài)為邏輯低電平。通常,一個漏極開路nmos晶體管將被用來拉低復位節(jié)點電壓。在低輸入電壓條件下（一般低于1v）,nmos晶體管缺少用于克服上拉電流源的足夠跨導,而且,復位節(jié)點有可能浮動至一個邏輯高電平。

  克服復位節(jié)點電壓浮動的一種常用方法是集成一個有源pmos晶體管上拉電路,并指定一個負責在低輸入電壓條件下拉低復位節(jié)點電壓的外部接地電阻器。不過,這種方法有幾個缺點,除非有一個專供內(nèi)部pmos電源用的額外電源引腳,否則用戶將無法控制上拉電壓（因為它是采用硬連線布設(shè)于器件內(nèi)部的）,而且,在外部電阻器克服pmos晶體管的上拉力之前,它就會遭遇其阻值的下限。另外,由于外部電阻器將不斷地消耗功率,因此低功率系統(tǒng)將在復位節(jié)點為邏輯高電平的條件下受損。

   四通道電源監(jiān)視器(如ltc2903)通過消除誤復位并維持非常高的準確度而令系統(tǒng)可靠性得到了極大的改善。一個專有電路在低輸入電壓條件下建立了一條從復位節(jié)點至地的低阻抗路徑。該低阻抗路徑拉低了復位節(jié)點電壓,并且即使在所有的輸入電壓源均為0v的情況下往往也將傳導電流。對于低至0.5v的 v1、v2或v3,復位輸出保證吸收至少5 a的電流(vol = 0.15v)。

結(jié)論

  在電流日益升高的情況下降低供電電壓的發(fā)展趨勢（導致需要設(shè)計有效的“負載點”解決方案）是一個越來越常見的問題。通過逐步過渡到采用各種多相和多相拓撲結(jié)構(gòu),設(shè)計師將能夠有效地縮減占用空間、簡化布局、提升效率、降低電容器紋波電流、改善可靠性并節(jié)省成本。