高電流功率轉(zhuǎn)換解決方案

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(gè)日益高漲的要求將繼續(xù)對(duì)電源開發(fā)起到推動(dòng)作用。該領(lǐng)域的進(jìn)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(dǎo)體組件方面的改進(jìn)。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(shí)提供高效散熱來實(shí)現(xiàn)。然而,輸出電壓的日益降低對(duì)這些做法施加了更大的壓力,進(jìn)而引發(fā)了嚴(yán)重的設(shè)計(jì)難題。

多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對(duì)于由兩個(gè)或更多的轉(zhuǎn)換器來對(duì)單個(gè)輸入進(jìn)行處理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（此時(shí),各轉(zhuǎn)換器同時(shí)運(yùn)行,但處于不同的鎖定相位）而言,多相被認(rèn)為是一個(gè)通用術(shù)語(yǔ)。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(shí)實(shí)現(xiàn)了高電流單輸出或多個(gè)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(duì)于單片式器件而言,這將提升輸出電流能力,因?yàn)槎鄠€(gè)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?fù)浣Y(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(dǎo)體組件均被集成于器件之中）,也制造控制器解決方案?？刂破鹘鉀Q方案通常用于功率較高的場(chǎng)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(gè)高電流輸出的場(chǎng)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(gè)具有不同電壓值的輸出的場(chǎng)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?yàn)椴捎昧硕嘞嗤負(fù)浣Y(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。

polyphase降壓應(yīng)用

電源設(shè)計(jì)所面臨的最大挑戰(zhàn)之一是在高負(fù)載電流條件下實(shí)現(xiàn)高降壓比。此外,維持高轉(zhuǎn)換效率、符合嚴(yán)格的瞬態(tài)響應(yīng)條件以及最大限度地縮小板級(jí)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(duì)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(shí)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(gè)輸出電流檢測(cè)電阻器,原因是這些器件采用了一種無檢測(cè)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(kuò)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(duì)多個(gè)并聯(lián)功率級(jí)的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行交錯(cuò)處理來實(shí)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(yuǎn)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(dòng)器以及各種保護(hù)功能（比如：過壓保護(hù)、任選的過流鎖斷和折返電流限制）集成在單個(gè)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(jiǎn)化整個(gè)電源設(shè)計(jì)。由此實(shí)現(xiàn)的制造簡(jiǎn)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(kuò)縮型系統(tǒng),該系統(tǒng)最多可擴(kuò)展至12相,以提供高達(dá)200a的大電流輸出。

逐級(jí)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(gè)或更多的通道異相運(yùn)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(cè)電流,就不會(huì)產(chǎn)生由檢測(cè)電阻器所引起的額外功耗（no rsense）,而且,功能強(qiáng)大的板載同步mosfet驅(qū)動(dòng)器可有效地抑制開關(guān)損耗。然而,在輕負(fù)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(duì)許多用戶來說這可能是一個(gè)問題。例如,在一個(gè)未插滿板卡的機(jī)架系統(tǒng)中便是如此。

ltc3731采用了逐級(jí)遞減（stage sheddingtm）操作,該操作模式可在輕負(fù)載條件下提升效率,見圖3。在逐級(jí)遞減模式中,第二相在輕負(fù)載時(shí)被關(guān)斷,從而使輕載開關(guān)損耗減半。如果負(fù)載進(jìn)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(shí)保持了很高的效率。

瞬態(tài)響應(yīng)

當(dāng)今的電源設(shè)計(jì)常常同時(shí)需要高降壓比和快速動(dòng)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(shí)現(xiàn)控制器動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展。例如：傳統(tǒng)的恒定頻率控制器的最小接通時(shí)間為幾百納秒(ns),而ltc3709則實(shí)現(xiàn)了85ns(典型值)的最小ton,以獲得出色的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。同樣,ltc3708獨(dú)特的無時(shí)鐘延遲操作方式也可實(shí)現(xiàn)非常快速的負(fù)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(jí)空間。

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(dá)2mhz）四相架構(gòu)（就像ltc3425所采用的那樣）允許使用若干個(gè)小巧、低成本的電感器（而不是一個(gè)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(dá)8mhz所致。此外,所有需要的功率mosfet均被制作在芯片上。對(duì)于空間受限的電路板、負(fù)載點(diǎn)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(jì)多相轉(zhuǎn)換器與設(shè)計(jì)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(gè)相位的電流限值和開關(guān)頻率均由一個(gè)電阻器來設(shè)置,這與單相設(shè)計(jì)是相同的。輸出電壓的設(shè)定以及環(huán)路的補(bǔ)償與其他的常見設(shè)計(jì)也并無差別。ltc還在其網(wǎng)站上提供了免費(fèi)下載的綜合性cad和spice工具,用于為更加復(fù)雜的仿真提供幫助。

ltc3425的同步四相架構(gòu)在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)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(shí)現(xiàn)非常低的輸出電壓紋波。對(duì)于那些對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用,用戶能夠在自動(dòng)或手動(dòng)突發(fā)模式操作之間以及脈沖跳躍模式或強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式之間進(jìn)行選擇。所有這些功能以及輸出斷接、軟起動(dòng)、1 a停機(jī)電流、抗振鈴控制、熱停機(jī)、一個(gè)緩沖基準(zhǔn)輸出和一個(gè)電源良好輸出均被集成在一個(gè)小外形（5mm x 5mm）的耐熱增強(qiáng)型qfn封裝。
許多便攜式應(yīng)用對(duì)組件的高度都有嚴(yán)格的限制。對(duì)于功率轉(zhuǎn)換器來說,這將會(huì)是一個(gè)難題,因?yàn)樵谀切└叨茸畲蟮慕M件當(dāng)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(gè)完整的5w功率轉(zhuǎn)換器可以安裝在20mm 16mm的空間之內(nèi)。

圖5給出了一款采用ltc3425來實(shí)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(jì)能夠在每相1mhz的開關(guān)頻率條件下以高達(dá)94%的效率來提供2a以上的負(fù)載電流（4mhz輸出紋波頻率）。最大組件高度僅2.05mm,并在一個(gè)非常寬的負(fù)載范圍內(nèi)保持了高效率。
該實(shí)例的一個(gè)重要的特點(diǎn)是可編程自動(dòng)突發(fā)模式操作,它使得用戶能夠設(shè)定轉(zhuǎn)換器進(jìn)入突發(fā)模式操作的負(fù)載電流,從而提升了輕負(fù)載條件下的效率。對(duì)于不能夠由主機(jī)來對(duì)操作模式進(jìn)行手動(dòng)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(dòng)的影響。在本例中,由r4將突發(fā)模式門限設(shè)定為100ma。當(dāng)平均負(fù)載電流降至100ma以下時(shí),器件將進(jìn)入突發(fā)模式操作,當(dāng)負(fù)載電流再次增加時(shí),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(gè)補(bǔ)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(fù)載階躍期間進(jìn)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(shí)現(xiàn)輕負(fù)載效率的最大化。
對(duì)于那些對(duì)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(chǎng)合,只需去掉其中的一個(gè)或兩個(gè)電感器便可把ltc3425用作一個(gè)兩相或三相轉(zhuǎn)換器。

電源跟蹤

當(dāng)今電子系統(tǒng)復(fù)雜的電源電壓跟蹤和排序要求是設(shè)計(jì)師必須考慮的另一個(gè)因素。如果未對(duì)這些要求給予足夠的重視,就會(huì)導(dǎo)致器件立即遭到破壞,或者在實(shí)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(gè)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(yù)測(cè)性,甚至?xí)?duì)系統(tǒng)中的器件造成無法修復(fù)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(hù)組件。如果電源違反了跟蹤要求并對(duì)保護(hù)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。

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

針對(duì)電源跟蹤和排序的一種簡(jiǎn)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(diǎn)）可采用ltc2923來實(shí)現(xiàn)。通過選擇少量的電阻器,即可對(duì)電源進(jìn)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(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生固有壓降、額外的功耗并占用更大的pc板級(jí)空間。而ltc2923是通過把電流注入其反饋節(jié)點(diǎn)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(huì)受到影響,這是因?yàn)樽⑷腚娏髟谑馆敵鲭妷寒a(chǎn)生偏移的時(shí)候并未改變電源控制環(huán)路的動(dòng)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(jìn)行最終檢驗(yàn)或自動(dòng)化自測(cè)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(cè)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(qiáng)制系統(tǒng)中的電源模塊或dc/dc轉(zhuǎn)換器至其標(biāo)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(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估。

能夠簡(jiǎn)化電源裕度測(cè)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(shí)現(xiàn)板上電源裕度調(diào)節(jié)功能以及極短的設(shè)計(jì)時(shí)間和極小的板級(jí)空間的簡(jiǎn)易而準(zhǔn)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(fù)位

在低輸入電源電壓條件下確立復(fù)位節(jié)點(diǎn)上的正確邏輯狀態(tài)是困擾著許多電源監(jiān)控ic的一個(gè)問題。在上電之前,外部漏電流往往將把復(fù)位節(jié)點(diǎn)的電壓驅(qū)動(dòng)至微處理器輸入的邏輯門限以上,這會(huì)阻止正確的起動(dòng)操作,甚至引發(fā)潛在的系統(tǒng)可靠性問題。 當(dāng)電源電壓處于其監(jiān)控門限以下時(shí),復(fù)位節(jié)點(diǎn)上的期望狀態(tài)為邏輯低電平。通常,一個(gè)漏極開路nmos晶體管將被用來拉低復(fù)位節(jié)點(diǎn)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(dǎo),而且,復(fù)位節(jié)點(diǎn)有可能浮動(dòng)至一個(gè)邏輯高電平。

克服復(fù)位節(jié)點(diǎn)電壓浮動(dòng)的一種常用方法是集成一個(gè)有源pmos晶體管上拉電路,并指定一個(gè)負(fù)責(zé)在低輸入電壓條件下拉低復(fù)位節(jié)點(diǎn)電壓的外部接地電阻器。不過,這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn),除非有一個(gè)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?yàn)樗遣捎糜策B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(huì)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(fù)位節(jié)點(diǎn)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(fù)位并維持非常高的準(zhǔn)確度而令系統(tǒng)可靠性得到了極大的改善。一個(gè)專有電路在低輸入電壓條件下建立了一條從復(fù)位節(jié)點(diǎn)至地的低阻抗路徑。該低阻抗路徑拉低了復(fù)位節(jié)點(diǎn)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(dǎo)電流。對(duì)于低至0.5v的v1、v2或v3,復(fù)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(shì)（導(dǎo)致需要設(shè)計(jì)有效的“負(fù)載點(diǎn)”解決方案）是一個(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)師將能夠有效地縮減占用空間、簡(jiǎn)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。