EXAR創(chuàng)新多路數(shù)字電源解決方案

現(xiàn)今的電子系統(tǒng)更多的依賴于數(shù)字設(shè)計，從分立的邏輯門到復雜的FPGA、CPLD以及DSP，數(shù)字化進程加劇。隨之帶來的是對電源的設(shè)計要求越來越高，電源之間的交互、控制以及如何簡化電源設(shè)計為眾多工程師所關(guān)注，而數(shù)字電源控制技術(shù)的低成本、靈活性與堪比模擬電源的穩(wěn)定性則成為實現(xiàn)這一夢想的關(guān)鍵。

Exar PowerXR數(shù)字電源解決方案——XRP77XX系列芯片的“數(shù)字”特性完全摒棄了傳統(tǒng)電源所需的外部無源控制元件，成功集數(shù)字與模擬兩個領(lǐng)域的頂級性能于一身，將開發(fā)時間由數(shù)周縮短至數(shù)個小時，使系統(tǒng)設(shè)計工程師得以將產(chǎn)品快速投放市場，贏得顯著競爭優(yōu)勢。同時，針對不斷變化的設(shè)計需求和條件，PowerXR數(shù)字電源解決方案還具有完全的可適應(yīng)性和可再用性。

現(xiàn)代系統(tǒng)對電源的要求

現(xiàn)代系統(tǒng)對電源方案提出了更為嚴苛的要求，概括起來分別是三個不僅僅。不僅僅只是功率轉(zhuǎn)換，功率轉(zhuǎn)換能夠滿足系統(tǒng)的最基本需求;不僅僅只是時序、功率管理，功率管理提升了系統(tǒng)的靈活性;不僅僅只是電源通訊，通訊提升了系統(tǒng)的智能性。綜合來看，現(xiàn)代系統(tǒng)需要電源同時具備以上三種能力，同時還要簡單易用并且便宜。

PowerXR數(shù)字電源

EXAR的PowerXR數(shù)字電源具有眾多優(yōu)勢，那么，它能給設(shè)計帶來什么呢?

首先，在硬件方面，單芯片解決方案代替了數(shù)十個IC才能完成的功能。完整的電源管理帶來更高的系統(tǒng)可靠性，并且集成MOS驅(qū)動。在全溫度范圍內(nèi)有著更好的穩(wěn)壓精度;具有高功率密度。效率高，方案可以達到大于90%的效率。

其次，在軟件方面，PowerXR具有簡易的開發(fā)環(huán)境并且支持重復編程。

最后，在通信方面，PowerXR具有完整的電源監(jiān)控并可以輕松實現(xiàn)遠程控制。

PowerXR數(shù)字電源功能功能框圖如圖1所示。實現(xiàn)的功能如下：

圖1 PowerXR數(shù)字電源功能功能框圖

•單電源供電(4.75V~25V)

•獨立的四(三)通道集成高電流驅(qū)動

的降壓控制器

• 3.3V 或者5V數(shù)字可選待機LDO

•最高1.5MHz開關(guān)頻率

•優(yōu)化的狀態(tài)機結(jié)構(gòu)，只需要200個

左右寄存器

• 6個可配置輸入/輸出口

• I2C完全可編程

•數(shù)字延遲以及斜率控制

•電壓、電流、溫度以及狀態(tài)監(jiān)控

PowerXR應(yīng)用原理圖如圖2所示。

圖2 PowerXR應(yīng)用原理圖

PowerXR數(shù)字電源控制器方框圖如圖3所示。數(shù)字功率控制如圖3中上面的紅色框所示，數(shù)字功率管理部分如中間的藍色框所示，數(shù)字通信部分如圖中下面的紅框所示。

圖3 PowerXR數(shù)字電源控制器方框圖

PowerXR技術(shù)概況如下：

• 0.18μm BiCMOS混合信號工藝

•低功耗1.8V數(shù)字內(nèi)核

•狀態(tài)機結(jié)構(gòu)，不需要執(zhí)行代碼、固件

• 30多項數(shù)字電源核心專利

•只需要配置200個左右狀態(tài)寄存器

通過對內(nèi)部各寄存器的靈活配置，可以實現(xiàn)各種復雜的系統(tǒng)電源需求。PowerXR反饋ADC，相當于具有兩個輸入范圍的9位分辨率ADC。在數(shù)字PWM設(shè)計方面，計數(shù)器實現(xiàn)方式要得到1.5MHz的開關(guān)頻率，采用8位計數(shù)器，需要384MHz時鐘，功耗大。Exar采用DLL和Sigma Delta控制方式，1.5MHz的開關(guān)頻率，8位分辨率只需要48MHz的內(nèi)部時鐘，而800kHz的開關(guān)頻率，只需要25.6MHz的內(nèi)部時鐘。[!--empirenews.page--]

通過數(shù)字補償設(shè)計、多通道時序控制、更高的功率密度增加PowerXR效率，效率曲線如圖4所示。

圖4 PowerXR效率曲線

PowerXR數(shù)字電源開發(fā)環(huán)境是EXAR數(shù)字電源開發(fā)軟件(PowerArchitect)，它能輕松幫您完成電源設(shè)計。具體有：按照使用者的需求只需鼠標鍵盤簡單操作完成電源設(shè)計;軟件會根據(jù)使用者的不同需求推薦給使用者優(yōu)化外圍器件參數(shù);根據(jù)設(shè)計參數(shù)，模擬出波特圖分析其電源工作的穩(wěn)定性;實時監(jiān)測電源的工作狀態(tài)。

PowerArchitect可以得到需要設(shè)計的各項指標，包括輸入電壓、開關(guān)頻率、輸出電壓、工作相位、輸出電流、時序設(shè)計和輸出電感電容選擇。數(shù)字化設(shè)計包括I²C配置、LDO配置、各通道使能控制方式、多種GPIO口配置滿足使用者的需求。通過使用PowerArchitect還可以輕松完成復雜的環(huán)路設(shè)計。它會根據(jù)設(shè)計軟件會自動繪制出開環(huán)曲線，可以進行帶寬調(diào)整，滿足動態(tài)指標的苛刻要求，零、極點的放置可滿足環(huán)路的穩(wěn)定，還可以用來檢測相位余量是否滿足。通過軟件可以實時監(jiān)測電源狀態(tài)，比如電壓、電流、GPIO狀態(tài)、工作相位。

XRP7724

PowerXR產(chǎn)品選型表如表1所示。

表1 PowerXR產(chǎn)品選型表

XRP7724是EXAR可用于手持設(shè)備的數(shù)字電源芯片，輕載可配置工作在DPFM(數(shù)字調(diào)頻模式)大大提高了輕載效率。EXAR的DPFM專利使其成為全球較為領(lǐng)先的使用數(shù)字化的方式實現(xiàn)PFM，并且擁有三種不同的DPFM配置模式，大大提高了設(shè)計靈活性。具有更低的靜態(tài)電流，低至600μA，現(xiàn)有方案為10mA。它的DPWM精度提升為14bit，ADC精度提升為10s，帶來更好的穩(wěn)壓精度和jitter表現(xiàn)。

問：電源自身具備哪些有效的保護措施或優(yōu)勢?

答：電源具備過流、短路、過壓、過流保護，并且在保護發(fā)生前可設(shè)定告警狀態(tài)位，當異常發(fā)生前提前作出相應(yīng)處理。

問：電源對噪聲的應(yīng)對能力怎樣?EMI如何?

答：EMI的設(shè)計和模擬電源一樣，和布板有著非常大的關(guān)系，數(shù)字電源一個芯片解決了4路DC/DC，有著很高的功率密度，能減少功率部分的面積，可以從這個方面考慮有利于EMI和EMC的設(shè)計。

問：多路電源之間會產(chǎn)生互擾嗎?

答：在合理布板的情況下，可以大程度地降低多路的互擾，并且EXAR數(shù)字電源每個通道可設(shè)定不同的工作相位，工作更加獨立。

問：該多路數(shù)字電源解決方案的輸出電壓質(zhì)量如何?紋波范圍?

答：紋波和模擬電源一樣取決于外圍元器件和頻率的選擇，支持陶瓷電容，較大程度上減低輸出紋波，使輸出保持穩(wěn)定。

問：器件的供電電流有多大?

答：最多四路DC/DC，加一路LDO，每路DC/DC集成MOS驅(qū)動，具體電流視所選MOS管決定，實驗驗證兩路20A，兩路10A。輸出電壓0.6V~5.1V可調(diào)，需要更高電壓需要外加分壓電阻。

問：數(shù)字電源的待機功耗是多少?封裝方式有哪幾種?

答：待機功耗10mA，7724待機功耗<4mA。使用QFN封裝。

問：數(shù)字電源具備低碳優(yōu)勢嗎?

答：新一代的數(shù)字電源支持DPFM，具備輕載高效功能，當然也就具備低碳優(yōu)勢。

問：請問在大輸入輸出壓差條件下，如何實現(xiàn)提高電源效率和降低輸出電壓?

答：該方案可以通過合理選擇外圍元器件和頻率來提高效率。

問：需要利用集成元器件來簡化外部電路的設(shè)計嗎?

答：EXAR數(shù)字電源僅僅需要外圍一些必須的功率元器件完成負載的電源系統(tǒng)設(shè)計。

問：可以提供物美價廉的具有市場競爭優(yōu)勢的設(shè)計嗎?

答：如果您的電源設(shè)計在線座談里面介紹的大多數(shù)功能，那么該方案是現(xiàn)有市場上較為物美價廉的方案。

問：器件提供多種封裝嗎?

答：器件提供多種封裝，如QFN32、QFN40、QFN44，視具體型號而定。

問：這個器件可以做電源控制嗎?

答：完全可以。

問：請問該芯片的溫度性能怎樣?最高可工作到多高的溫度?

答：可以達到工業(yè)級的125℃高溫。

問：具體的MTBF試驗數(shù)據(jù)是多少?

答：42 735 000，詳細情況可以參考數(shù)字電源可靠性報告。

問：此產(chǎn)品無需散熱片嗎?

答：是的，無需額外散熱片。