背景
大多數(shù)大型嵌入式系統(tǒng)都由 48V 輸入供電，該 48V 輸入通過背板發(fā)送到系統(tǒng)內(nèi)每個 PC 板，這種供電方式常常稱為分布式電源系統(tǒng)。該 48V 輸入通過一個隔離式中間總線轉(zhuǎn)換器 (IBC) 降至一個較低的電壓，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載點 (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，在啟動和停機時，這些電源必須排序。設(shè)計師必須考慮加電和斷電時內(nèi)核及 I/O 電壓的相對大小及電壓的時序，以符合制造商的性能規(guī)范。如果沒有正確的電源排序，就會發(fā)生閉鎖或過度吸收電流，這有可能導致微處理器 I/O 端口或支持器件 (如存儲器、可編程邏輯器件 ─ PLD、現(xiàn)場可編程門陣列 ─ 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 I/O 負載，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 7 個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，其中一個軌沒有上升到滿電壓，那么加電過程就停止。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，或如果電源無法給預偏置負載供電，那么加電或斷電時，這些內(nèi)部二極管可能會損壞。
在預偏置負載情況下，負載上已經(jīng)加上了一個電壓，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始轉(zhuǎn)變的電壓。提到可以預偏置的 IC，ASIC 是一個很好的例子。一般情況下，ASIC 會需要多個電壓軌工作在例如 1.0V、1.1V、1.2V、1.8V、2.5V 和 3.3V。在 ASIC 內(nèi)部，這些軌之間都會有一個二極管，通過不允許電壓高于二極管兩端的壓差來實現(xiàn)內(nèi)部保護。加電或斷電時，可能存在一種情況 ── ASIC 內(nèi)兩個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二極管，并導致二極管出故障。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發(fā)生。采用一個在接通或斷開時不允許負電流流經(jīng)輸出電感器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，就可以防止這個問題，這種方法要求 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在加電或斷電時以突發(fā)模式 (Burst Mode®) 或斷續(xù)傳導模式工作。
解決老問題的新方法
凌力爾特公司的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以安全地給預偏置負載供電，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關(guān)穩(wěn)壓控制器，具一致或比例制跟蹤能力。通過準確的運行門限和兩個電源良好輸出，電源排序非常容易實現(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用，其中包括大多數(shù)中間總線電壓。強大的內(nèi)置柵極驅(qū)動器給所有 N 溝道 MOSFET 級供電，而且在一個通道的輸出電壓范圍為 0.8V 至 13.5V、另兩個通道的輸出電壓范圍為 0.8V 至 5.5V 時，每相可產(chǎn)生超過 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 個單獨的輸出，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 連起來使兩個輸出并聯(lián)，通道 3 則是一個獨立的輸出。通過使 3 個輸出級以 120° 相差運行，可最大限度地降低功耗和電源噪聲。當配置為 2 + 1 型控制器時，通道 1 和通道 2 相位相差 180°，以在有一個大電流輸出和一個小電流輸出時，保持輸入電流得到最佳平衡。
以 2 + 1 模式運行的雙輸出轉(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 3.3V 輸出。這種 2 + 1 型配置僅需要一個 RUN 引腳 (RUN1) 來啟動通道 1 和通道 2。通道 2 的反饋誤差放大器被禁止，兩個通道共用通道 1 的反饋分壓器。電流檢測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 中對這一點進行了說明，其中顯示了 ±25% 負載階躍時每個通道的電感器電流，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 電流檢測比較器的封裝后微調(diào)可在并聯(lián)時提供通道 1 和通道 2 之間的卓越均流，甚至在 75% 至 100% 負載階躍時也不例外。
軟啟動或跟蹤
LTC3853 的輸出電壓可以配置為可編程軟啟動，或可以配置為跟蹤另一個通道的輸出電壓，或跟蹤一個外部電源電壓，這時 3 個輸出電壓中的任何一個電壓都是獨立的。當輸出電壓配置為軟啟動時，需要一個電容器連到其 TK/SS 引腳。這個 TK/SS 引腳允許用戶設(shè)定，其輸出如何相對于另一個輸出電壓斜坡上升或下降。通過這些引腳，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電源的輸出。這些斜坡曲線如以下圖 3 所示。跟蹤另一個輸出電壓時，去掉了軟啟動電容器。為了實現(xiàn)比例制跟蹤，用于輸出電壓反饋信號的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)連到了相應的 TK/SS 引腳，以跟蹤該輸出。為了實現(xiàn)一致跟蹤，將一個額外的電阻分壓器連接到 VOUT1，然后將其中點連接到完成比例制跟蹤任務(wù)的從屬通道的 TK/SS 引腳。這個分壓器的分壓比應該與從屬通道反饋分壓器的分壓比相同。
不過，至于應該設(shè)定哪一種模式，也是個問題。盡管兩種模式哪一種都滿足大多數(shù)實際應用的需求，但是還是需要進行一些權(quán)衡。比例制跟蹤模式省去了一對電阻器，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，利用開關(guān)把一至數(shù)個突發(fā)脈沖接入電路，以補充輸出電容器儲存的電荷，接下來是一個長長的休眠期，這時由輸出電容器提供負載電流，因此突發(fā)模式工作可提供最高的效率。強制連續(xù)模式從無負載到滿負載提供固定頻率工作，從而提供較低的輸出電壓紋波，但代價是較低的輕負載效率。脈沖跳躍模式的工作特點是，在需要時斷開同步開關(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，與強制連續(xù)模式相比，提供最小的紋波和較高的輕負載效率，但不是以恒定頻率工作。無論哪種模式，LTC3853 在負載電流較大時，都以恒定頻率工作。在啟動和停機時，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電流。
多相工作
多相是描述一些拓撲的一般性術(shù)語，在這些拓撲中，由兩個或更多個轉(zhuǎn)換器處理一個輸入，這些轉(zhuǎn)換器相互同步但以不同的鎖定相位運行。這種方法降低了輸入紋波電流、輸出紋波電壓和總的無線頻率干擾 (RFI) 特征，同時允許大電流單輸出或具完全穩(wěn)定輸出電壓的多個較低電流輸出。當多個相位并聯(lián)以滿足大功率需求時，這種方法還允許使用較小的外部組件，這又增加了改進熱量管理的好處。
其他特點
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)實現(xiàn)穩(wěn)定工作，包括用來實現(xiàn)最小解決方案尺寸的所有陶瓷輸入和輸出電容器。通過測量輸出電感器 (DCR) 兩端的壓降，或通過使用一個可選檢測電阻器，可進行輸出電流檢測。過流折返限制 MOSFET 在短路和過載情況下散發(fā)的熱量。在 -40°C 至 125°C 的工作溫度范圍內(nèi)，LTC3853 還具有準確度為 ±1% 的 0.8V 精確基準。LTC3853 具有高達 98% 的占空比，并有非常低的壓差電壓，在電池供電應用中延長運行時間而言，這個特點非常有用。
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每通道為 15A 的 LTC3853 演示板圖片。
圖 4：在 12VIN 時，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
在嵌入式應用的分布式電源系統(tǒng)中，電壓軌的數(shù)量持續(xù)增加，因為需要這些電壓軌為多種 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：緊湊；高效率；啟動和停機時，這些電壓沒有一個能通過電源的同步整流器放電；能給預偏置負載供電。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大的電流。凌力爾特公司提供一個 DC/DC 控制器、單調(diào)開關(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)在加電和斷電時不會使預偏置負載放電。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，允許兩個輸出并聯(lián)，以滿足大電流應用需求。
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