面向多軌預(yù)偏置負(fù)載應(yīng)用的靈活排序

背景
    大多數(shù)大型嵌入式系統(tǒng)都由 48V 輸入供電，該 48V 輸入通過(guò)背板發(fā)送到系統(tǒng)內(nèi)每個(gè) PC 板，這種供電方式常常稱為分布式電源系統(tǒng)。該 48V 輸入通過(guò)一個(gè)隔離式中間總線轉(zhuǎn)換器 (IBC) 降至一個(gè)較低的電壓，通常在 5V 至 12V范圍。然后，這種中間總線輸出電壓需要再次降低，以用于分支電路和電路板上的 IC，這些分支電路和 IC 需要數(shù)十 mA 至數(shù)十 A電流和 0.8V 及更高的電壓。這些完成再次降壓的器件稱為負(fù)載點(diǎn) (POL) 穩(wěn)壓器。

分布式電源系統(tǒng)中一般包括微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)，這兩類器件都需要內(nèi)核電源和輸入/輸出 (I/O) 電源，在啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)，這些電源必須排序。設(shè)計(jì)師必須考慮加電和斷電時(shí)內(nèi)核及 I/O 電壓的相對(duì)大小及電壓的時(shí)序，以符合制造商的性能規(guī)范。如果沒(méi)有正確的電源排序，就會(huì)發(fā)生閉鎖或過(guò)度吸收電流，這有可能導(dǎo)致微處理器 I/O 端口或支持器件 (如存儲(chǔ)器、可編程邏輯器件 ─  PLD、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 ─ FPGA、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 … 等等)  I/O 端口的損壞。為了確保內(nèi)核電壓正確偏置后再驅(qū)動(dòng) I/O 負(fù)載，跟蹤內(nèi)核電源電壓和 I/O 電源電壓是必要的。

某些處理器要求 I/O 電壓先于內(nèi)核電壓上升，而有些 DSP 則要求內(nèi)核電壓先于 I/O 電壓上升。斷電排序也需要。有多達(dá) 7 個(gè)輸入電壓軌需要排序的專用集成電路 (ASIC) 是很普遍。理想的排序允許系統(tǒng)中所有軌任意排序，允許任何軌的升降取決于其他軌。在這些軌之間建立一種依賴關(guān)系，這樣，如果在順序加電時(shí)，其中一個(gè)軌沒(méi)有上升到滿電壓，那么加電過(guò)程就停止。此外，在 FPGA、PLD、DSP和微處理器中，一般將二極管作為靜電放電 (ESD) 組件，放置在內(nèi)核和 I/O 電源之間。如果輸入電壓未加控制，或如果電源無(wú)法給預(yù)偏置負(fù)載供電，那么加電或斷電時(shí)，這些內(nèi)部二極管可能會(huì)損壞。

在預(yù)偏置負(fù)載情況下，負(fù)載上已經(jīng)加上了一個(gè)電壓，該電壓可能是穩(wěn)定狀態(tài)的電壓，也可能是從加電或斷電起開(kāi)始轉(zhuǎn)變的電壓。提到可以預(yù)偏置的 IC，ASIC 是一個(gè)很好的例子。一般情況下，ASIC 會(huì)需要多個(gè)電壓軌工作在例如 1.0V、1.1V、1.2V、1.8V、2.5V 和 3.3V。在 ASIC 內(nèi)部，這些軌之間都會(huì)有一個(gè)二極管，通過(guò)不允許電壓高于二極管兩端的壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部保護(hù)。加電或斷電時(shí)，可能存在一種情況 ── ASIC 內(nèi)兩個(gè)軌之間的電壓比二極管壓降高得多，從而引起很大的電流流過(guò)二極管，并導(dǎo)致二極管出故障。這種大電流可能回流到 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的同步 MOSFET 中，而且這種情況通常在加電或斷電時(shí)發(fā)生。采用一個(gè)在接通或斷開(kāi)時(shí)不允許負(fù)電流流經(jīng)輸出電感器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，就可以防止這個(gè)問(wèn)題，這種方法要求 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在加電或斷電時(shí)以突發(fā)模式 (Burst Mode®) 或斷續(xù)傳導(dǎo)模式工作。

解決老問(wèn)題的新方法
    凌力爾特公司的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以安全地給預(yù)偏置負(fù)載供電，最近推出的三輸出、多相同步 DC/DC 控制器 LTC3853 就是這類 DC/DC 轉(zhuǎn)換器之一。LTC3853 是一種高效率、三輸出同步降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制器，具一致或比例制跟蹤能力。通過(guò)準(zhǔn)確的運(yùn)行門(mén)限和兩個(gè)電源良好輸出，電源排序非常容易實(shí)現(xiàn)。其 4.5V 至 24V (最大值為 28V) 的輸入范圍涵蓋了種類繁多的應(yīng)用，其中包括大多數(shù)中間總線電壓。強(qiáng)大的內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)器給所有 N 溝道 MOSFET 級(jí)供電，而且在一個(gè)通道的輸出電壓范圍為 0.8V 至 13.5V、另兩個(gè)通道的輸出電壓范圍為 0.8V 至 5.5V 時(shí)，每相可產(chǎn)生超過(guò) 20A 的輸出電流。恒定頻率架構(gòu)允許 250kHz 至 750kHz 的可選固定或可同步鎖相環(huán) (PLL) 頻率。

LTC3853 配置為 3 個(gè)單獨(dú)的輸出，還可以配置為 2 + 1 型控制器，在這種情況下，可將通道 1 和通道 2 連起來(lái)使兩個(gè)輸出并聯(lián)，通道 3 則是一個(gè)獨(dú)立的輸出。通過(guò)使 3 個(gè)輸出級(jí)以 120° 相差運(yùn)行，可最大限度地降低功耗和電源噪聲。當(dāng)配置為 2 + 1 型控制器時(shí)，通道 1 和通道 2 相位相差 180°，以在有一個(gè)大電流輸出和一個(gè)小電流輸出時(shí)，保持輸入電流得到最佳平衡。

以 2 + 1 模式運(yùn)行的雙輸出轉(zhuǎn)換器
    圖 1 顯示了在 6.5V 至 14V 輸入范圍內(nèi)工作的雙輸出轉(zhuǎn)換器原理圖。通道 1 和通道 2 饋送相同的 1.2V 輸出，而通道 3 控制第二個(gè) 3.3V 輸出。這種 2 + 1 型配置僅需要一個(gè) RUN 引腳 (RUN1) 來(lái)啟動(dòng)通道 1 和通道 2。通道 2 的反饋誤差放大器被禁止，兩個(gè)通道共用通道 1 的反饋分壓器。電流檢測(cè)比較器的封裝后微調(diào)可提供通道 1 和通道 2 之間的卓越均流。圖 2 中對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行了說(shuō)明，其中顯示了 ±25% 負(fù)載階躍時(shí)每個(gè)通道的電感器電流，所產(chǎn)生的輸出電壓瞬態(tài)約為 63mVpp，不到 ±3%。

圖 1：LTC3853 的高效率 1.2V/30A、3.3V/5A 雙輸出原理圖

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圖 2：LTC3853 電流檢測(cè)比較器的封裝后微調(diào)可在并聯(lián)時(shí)提供通道 1 和通道 2 之間的卓越均流，甚至在 75% 至 100% 負(fù)載階躍時(shí)也不例外。

軟啟動(dòng)或跟蹤
    LTC3853 的輸出電壓可以配置為可編程軟啟動(dòng)，或可以配置為跟蹤另一個(gè)通道的輸出電壓，或跟蹤一個(gè)外部電源電壓，這時(shí) 3 個(gè)輸出電壓中的任何一個(gè)電壓都是獨(dú)立的。當(dāng)輸出電壓配置為軟啟動(dòng)時(shí)，需要一個(gè)電容器連到其 TK/SS 引腳。這個(gè) TK/SS 引腳允許用戶設(shè)定，其輸出如何相對(duì)于另一個(gè)輸出電壓斜坡上升或下降。通過(guò)這些引腳，輸出可以設(shè)置為一致或成比例地跟蹤該器件自己的電壓或另一個(gè)電源的輸出。這些斜坡曲線如以下圖 3 所示。跟蹤另一個(gè)輸出電壓時(shí)，去掉了軟啟動(dòng)電容器。為了實(shí)現(xiàn)比例制跟蹤，用于輸出電壓反饋信號(hào)的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)連到了相應(yīng)的 TK/SS 引腳，以跟蹤該輸出。為了實(shí)現(xiàn)一致跟蹤，將一個(gè)額外的電阻分壓器連接到 VOUT1，然后將其中點(diǎn)連接到完成比例制跟蹤任務(wù)的從屬通道的 TK/SS 引腳。這個(gè)分壓器的分壓比應(yīng)該與從屬通道反饋分壓器的分壓比相同。

不過(guò)，至于應(yīng)該設(shè)定哪一種模式，也是個(gè)問(wèn)題。盡管兩種模式哪一種都滿足大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用的需求，但是還是需要進(jìn)行一些權(quán)衡。比例制跟蹤模式省去了一對(duì)電阻器，而一致跟蹤模式提供更好的輸出穩(wěn)壓。

圖 2：LTC3853 輸出電壓跟蹤曲線

工作模式
    在輕負(fù)載情況下，LTC3853 可以設(shè)定為以突發(fā)、脈沖跳躍或連續(xù)這 3 種模式之一工作。在突發(fā)模式中，利用開(kāi)關(guān)把一至數(shù)個(gè)突發(fā)脈沖接入電路，以補(bǔ)充輸出電容器儲(chǔ)存的電荷，接下來(lái)是一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的休眠期，這時(shí)由輸出電容器提供負(fù)載電流，因此突發(fā)模式工作可提供最高的效率。強(qiáng)制連續(xù)模式從無(wú)負(fù)載到滿負(fù)載提供固定頻率工作，從而提供較低的輸出電壓紋波，但代價(jià)是較低的輕負(fù)載效率。脈沖跳躍模式的工作特點(diǎn)是，在需要時(shí)斷開(kāi)同步開(kāi)關(guān)，以防止電感器電流反向。脈沖跳躍模式是其他兩種模式的折中，與強(qiáng)制連續(xù)模式相比，提供最小的紋波和較高的輕負(fù)載效率，但不是以恒定頻率工作。無(wú)論哪種模式，LTC3853 在負(fù)載電流較大時(shí)，都以恒定頻率工作。在啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)，LTC3853 的缺省設(shè)置都是脈沖跳躍模式，而且不允許輸出電感器中有負(fù)電流。

多相工作
    多相是描述一些拓?fù)涞囊话阈孕g(shù)語(yǔ)，在這些拓?fù)渲?，由兩個(gè)或更多個(gè)轉(zhuǎn)換器處理一個(gè)輸入，這些轉(zhuǎn)換器相互同步但以不同的鎖定相位運(yùn)行。這種方法降低了輸入紋波電流、輸出紋波電壓和總的無(wú)線頻率干擾 (RFI) 特征，同時(shí)允許大電流單輸出或具完全穩(wěn)定輸出電壓的多個(gè)較低電流輸出。當(dāng)多個(gè)相位并聯(lián)以滿足大功率需求時(shí)，這種方法還允許使用較小的外部組件，這又增加了改進(jìn)熱量管理的好處。

其他特點(diǎn)
    LTC3853 采用真正的電流模式控制，這種控制可在寬輸出電容和 ESR 值范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作，包括用來(lái)實(shí)現(xiàn)最小解決方案尺寸的所有陶瓷輸入和輸出電容器。通過(guò)測(cè)量輸出電感器 (DCR) 兩端的壓降，或通過(guò)使用一個(gè)可選檢測(cè)電阻器，可進(jìn)行輸出電流檢測(cè)。過(guò)流折返限制 MOSFET 在短路和過(guò)載情況下散發(fā)的熱量。在 -40°C 至 125°C 的工作溫度范圍內(nèi)，LTC3853 還具有準(zhǔn)確度為 ±1% 的 0.8V 精確基準(zhǔn)。LTC3853 具有高達(dá) 98% 的占空比，并有非常低的壓差電壓，在電池供電應(yīng)用中延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間而言，這個(gè)特點(diǎn)非常有用。

既然在分布式電源系統(tǒng)中，空間和冷卻都很難得，那么就任何 POL 轉(zhuǎn)換器而言，緊湊和高效都是非常重要的。圖 4 顯示了圖 1 電路的效率，而圖 5 顯示了采用全陶瓷電容器配置時(shí)每通道為 15A　的 LTC3853 演示板圖片。

圖 4：在 12VIN 時(shí)，LTC3853 的 1.2V/30A、3.3V/5A 高效率雙輸出效率曲線
 

圖 5：每通道 15A 輸出的 LTC3853 演示版

結(jié)論
    在嵌入式應(yīng)用的分布式電源系統(tǒng)中，電壓軌的數(shù)量持續(xù)增加，因?yàn)樾枰@些電壓軌為多種 ASIC、DSP、PLD、FPGA 和微處理器供電。為這些器件供電的 POL DC/DC 轉(zhuǎn)換器需要有一些至關(guān)重要的特點(diǎn)：緊湊；高效率；啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)，這些電壓沒(méi)有一個(gè)能通過(guò)電源的同步整流器放電；能給預(yù)偏置負(fù)載供電。此外，電壓斜坡上升和斜坡下降需要受到控制，以確保接受供電的器件不閉鎖或吸收過(guò)大的電流。凌力爾特公司提供一個(gè) DC/DC 控制器、單調(diào)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和微型模塊 (µModule®) DC/DC 轉(zhuǎn)換器系列，這些器件非常容易設(shè)定為跟蹤任何數(shù)量的電壓軌，而且其中大多數(shù)在加電和斷電時(shí)不會(huì)使預(yù)偏置負(fù)載放電。LTC3853 是三輸出同步降壓型 DC/DC 控制器，可非常容易地配置為任何數(shù)量的電壓軌排序或跟蹤任何數(shù)量的電壓軌，而且在 2 + 1 型配置中，允許兩個(gè)輸出并聯(lián)，以滿足大電流應(yīng)用需求。