具有可編程環(huán)路補(bǔ)償功能的μModule系列高密度電源解決方案

作者：ADI 公司 Haihua Zhou， Jian Li and Simon Tian

FPGA 開發(fā)板、以及原型設(shè)計、測試和測量應(yīng)用需要多功能高密度電源解決方案。LTM4678是一款具有數(shù)字電源系統(tǒng)管理 （PSM） 功能的 16 mm x 16 mm 小尺寸雙路 25 A 或單路 50 A μModule? 穩(wěn)壓器。該器件具有：

• 雙數(shù)字可調(diào)模擬環(huán)路和一個用于控制及監(jiān)控的數(shù)字接口。
• 寬輸入電壓范圍：4.5 V 至 16 V
• 寬輸出電壓范圍：0.5 V 至 3.3 V
• 在整個溫度范圍內(nèi)具有 ±0.5% 的最大 DC 輸出誤差
• ±5% 的電流回讀精度
• 低于 1 mΩ DCR 電流檢測
• 集成輸入電流檢測放大器
• 400 kHz PMBus 兼容型 I2C 串行接口
• 支持高達(dá) 125 Hz 的遠(yuǎn)端采樣輪詢速率
• 一個集成式 16 位 Σ-Δ ADC
• 恒定頻率電流模式控制
• 具平衡均流能力可以并聯(lián)使用
• 16 mm × 16 mm × 5.86 mm CoP-BGA 封裝

基于 I2C 的 PMBus 接口和可編程環(huán)路補(bǔ)償

LTM4678 屬于 ADI 的電源系統(tǒng)管理 （PSM） μModule 系列，可通過一個 PMBus/SMBus/I2C 數(shù)字接口進(jìn)行配置和監(jiān)控。基于 PC 的 LTpowerPlay? 工具可實現(xiàn)對電源電壓、電流、用電量、排序、裕度調(diào)節(jié)和故障記錄數(shù)據(jù)的可視化監(jiān)控與控制。LTM4678 是首款具有可編程環(huán)路補(bǔ)償功能 （gm 和 RTH） 的 μModule 穩(wěn)壓器，從而極大地縮短了設(shè)計時間，這是因為動態(tài)性能調(diào)優(yōu)無需反復(fù)構(gòu)建或修改 PCB 板。

用于實現(xiàn)熱性能改善、小尺寸和高功率密度的 CoP-BGA 封裝

采用耐熱性能增強(qiáng)型內(nèi)置組件級 （CoP） BGA 封裝，以 16 mm x 16 mm 的小尺寸 PCB 空間實現(xiàn)高功率 LTC4678。電感器采用堆疊設(shè)計，并用作散熱器，以有效降低電路板溫度。

利用電流模式控制可輕松調(diào)至更高的電流

LTM4678 采用峰值電流模式控制。逐周期監(jiān)視和控制電流。從而在多相并聯(lián)應(yīng)用中實現(xiàn)均流。

其他獨特的特性

• 在高電流應(yīng)用中，遠(yuǎn)端雙輸出檢測可補(bǔ)償走線上的電壓降。
• 溫度范圍內(nèi)最大 ±0.5% 的 DC 輸出誤差提供了額外的調(diào)節(jié)裕量
• 直接輸入電流檢測可測量精確的輸入電流和功率
• 當(dāng)輸出電壓在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)時，專用的 PGOOD 引腳為下游系統(tǒng)提供信號。
• 在高 VIN 情況下，EXTVCC 引腳可最大限度提高效率
• 雙輸出轉(zhuǎn)換器 （1 V/25 A 和 1.8 V/25 A）

圖 1 顯示典型的 5.75 V 至 16 V 輸入、雙輸出解決方案。LTM4678 的兩個通道以 180°的相對相移運行，因而減小了輸入 rms 電流紋波和電容器尺寸。

圖 1.1 V/25 A 和 1.8 V/25 A 輸出 （具有 I2C 串行控制和監(jiān)視接口）。

如圖 2 所示，在強(qiáng)制連續(xù)電流模式 （CCM） 中，總體解決方案效率為 85.8% （1.0 V/25 A 輸出） 和 90.4% （1.8 V/25 A）。

圖 2.兩個輸出的效率。

圖 3 顯示 LTM4678 在 VIN = 12 V、VOUT0 = 1.0 V/25 A、和 VOUT1 = 1.8 V/25 A 及 200 LFM 下運行時的熱性能。 熱點 （CH1 上的電感器） 溫升為 63°C，此時的環(huán)境溫度約為 24°C。

圖 3.雙輸出轉(zhuǎn)換器的熱性能。

多相 （Polyphase）、單輸出高電流 （12 V 至 1 V/250 A）

LTM4678 可配置為多相單輸出轉(zhuǎn)換器，以構(gòu)成較高電流解決方案。圖 4 顯示連接多個 LTM4678 的方框圖。若要提高輸出電流，只需添加額外的 LTM4678，并將它們各自的 VIN、VOUT、VOSNS+、VOSNS?、PGOOD、COMPa/b、RUN、FAULT、SYNC 和 GND 引腳連接在一起。

圖 4.顯示多相操作簡單性的方框圖。

圖 5 顯示并聯(lián)連接 5 個 LTM4678 時 （10 相），每相所提供的電流。10 相之間的最大電流差為 0.75 A （基于 25 A 計算為 3%），代表了平衡的均流。

圖 5.5 個 LTM4678 器件之間的均流 （10 相并行）。

圖 6 顯示 5 個并聯(lián) LTM4678 的熱像圖 （在 220 A 輸出和施加 450 LFM 氣流的情況下）。5 個 μModule 穩(wěn)壓器之間的最大溫差為 10°C。圖 7 顯示了一款 8 相解決方案的完整原理圖。

圖 6.多相轉(zhuǎn)換器的熱性

圖 7.使用四個 LTM4678 的 8 相操作 （產(chǎn)生 1 V/200 A 輸出）。

結(jié)論

LTM4678 μModule 是一款通用的高性能電源解決方案，占板面積小 （16 mm x 16 mm），可提供高效率和高功率。小尺寸和簡單易用的特點使 LTM4678 非常適合空間受限的設(shè)計，例如 FPGA 開發(fā)板。對于電信和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)以及工業(yè)和計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用中需要較高電流的場合，可并聯(lián)多個 LTM4678 以執(zhí)行多相操作。

作者簡介

Haihua Zhou 是 ADI 的一名高級應(yīng)用工程師。她的工作內(nèi)容包含 μModule 降壓穩(wěn)壓器和降壓型穩(wěn)壓器 IC 應(yīng)用。在加入 ADI 之前，她就職于 Infineon/International Rectifier，從事 GaN 應(yīng)用方面的工作。她擁有新加坡國立大學(xué)博士學(xué)位。

Jian Li 于 2004 年獲得中國清華大學(xué)控制理論與控制工程碩士學(xué)位，并于 2009 年獲得美國弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子學(xué)博士學(xué)位。目前，他是 ADI 公司電源產(chǎn)品應(yīng)用工程經(jīng)理。他擁有 9 項美國專利，并發(fā)表了 20 多篇學(xué)報和會議論文。

Simon Tian 是 ADI 的 μModule 設(shè)計工程師，在擔(dān)任此項職位之前，他是 ADI 的一名應(yīng)用工程師。他于 2015 年獲弗吉尼亞理工大學(xué)電氣工程博士學(xué)位，并發(fā)表了 20 多篇技術(shù)論文。