雙通道、6A降壓穩(wěn)壓器提供高效緊湊的解決方案

Zhongming Ye

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員被要求生產(chǎn)更小、效率更高的電源解決方案，以滿足所有行業(yè)SoC和FPGA的高耗電需求。在先進(jìn)的電子系統(tǒng)中，因?yàn)殡娫幢仨毞旁赟oC或其外圍設(shè)備（如DRAM或I/O設(shè)備）附近，因此電源封裝的可占用空間至關(guān)重要。在便攜式儀器中，如手持條碼掃描儀或醫(yī)療數(shù)據(jù)記錄儀系統(tǒng)，空間更為緊湊。

設(shè)計(jì)人員面臨的問題不僅僅是找到一個(gè)適合在有限空間放得下的穩(wěn)壓器。緊湊型解決方案的要求往往與其他先進(jìn)的電子產(chǎn)品要求相沖突：可靠的設(shè)計(jì)、高效率、大轉(zhuǎn)換比、高功率、小尺寸以及良好的熱性能。其中許多要求需要在其他領(lǐng)域進(jìn)行權(quán)衡，這就給設(shè)計(jì)人員帶來了一個(gè)困難且耗時(shí)的優(yōu)化問題。LTC3636 旨在通過雙通道 6A 降壓穩(wěn)壓器簡化設(shè)計(jì)人員的任務(wù)，該穩(wěn)壓器在關(guān)斷時(shí)消耗非常低的待機(jī)電流，在高達(dá)4 MHz的頻率下工作時(shí)，滿載和輕載時(shí)都具有很高的效率。

小尺寸和4 MHz開關(guān)頻率

電源設(shè)計(jì)中普遍存在的事實(shí)是，分配的應(yīng)用空間很小。DC-DC 轉(zhuǎn)換器的體積和功率密度通常受限于龐大磁性元件、輸入/輸出電容、EMI濾波器和散熱器。在降壓功率轉(zhuǎn)換器中，尺寸和效率往往沒法同時(shí)滿足：通過提高開關(guān)頻率可以顯著減小電感和輸出電容的尺寸，但高頻工作會(huì)增加電感和開關(guān)的開關(guān)損耗。這又使得在狹小空間進(jìn)行熱管理變得更加復(fù)雜。

LTC3636是一款雙通道、每路輸出6 A、高效率單芯片降壓穩(wěn)壓器，能夠采用最高20 V 的輸入電源電壓?？?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程開關(guān)頻率可以設(shè)置為高達(dá)4 MHz。高開關(guān)頻率顯著減小了電感和電容的尺寸和值，但與許多高頻解決方案不同，LTC3636 還保持了高效率，可使用一些具有更低交流損耗和直流損耗的超小尺寸鐵氧體電感。兩個(gè)通道錯(cuò)相180°工作，開關(guān)脈沖交錯(cuò)使紋波更低，反過來又可以減少輸入電容值。

圖1中的雙通道降壓轉(zhuǎn)換器在4 MHz的頻率下運(yùn)行，并使用非常小的電壓和電容。效率和熱性能如圖2所示。熱圖像顯示低于40°C的溫升，在 VIN = 5 V室溫下自然對流。

圖1. 4 MHz雙通道降壓穩(wěn)壓器提供緊湊型解決方案。

圖2. 效率曲線（左）和熱圖像（右）。條件： VIN = 5 V，自然對流。

整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的高效率功率轉(zhuǎn)換

整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的高效率對于便攜式設(shè)備和汽車應(yīng)用至關(guān)重要。在重載下，功率損耗應(yīng)較小，電路才能可靠運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，可以優(yōu)化重載下的電路設(shè)計(jì)，并且結(jié)合 TMON 引腳進(jìn)行熱監(jiān)控，設(shè)計(jì)穩(wěn)定的熱保護(hù)實(shí)現(xiàn)可靠的熱管理，這樣，散熱器或強(qiáng)制氣流散熱就不需要了。

輕載下的高效率對于電池供電系統(tǒng)延長兩次充電之間的運(yùn)行時(shí)間也很重要。此外，低關(guān)斷功耗是避免電池供電系統(tǒng)漏電的關(guān)鍵。同時(shí)權(quán)衡重載或輕載時(shí)的效率通常會(huì)限制普通電源整體解決方案的性能。

LTC3636 穩(wěn)壓器具有低靜態(tài)電流，可在輸出電壓高達(dá)5 V時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率。而 LT3636-1 型號(hào)將 VOUT范圍擴(kuò)大至12 V。該降壓穩(wěn)壓器能夠在3.1 V至20 V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，同時(shí)每通道提供高達(dá)6 A的輸出電流。圖3顯示的是一個(gè)高效率解決方案，而圖4顯示，其測得的效率在整個(gè)工作范圍內(nèi)一直很高。

圖3. 高效率雙通道降壓穩(wěn)壓器。

圖4.VOUT = 5 V和3.3 V的效率曲線。

可配置用于高達(dá)12 A的雙相單輸出

T先進(jìn)的SoC和FPGA電子系統(tǒng)在汽車、交通和工業(yè)應(yīng)用中的激增需要更高性能的電源。這些先進(jìn)SoC的功率需求不斷增加，基于傳統(tǒng)PWM控制器和MOSFET的解決方案必須采用單片穩(wěn)壓器，以便獲得更小的尺寸、更高的電流能力和更高的效率。LTC3636 旨在滿足這些先進(jìn)的SoC功率需求，同時(shí)滿足 SoC對方案尺寸和散熱的限制。圖5a顯示兩通道并行的電源的原理圖，在 0.85 V的電壓下提供高達(dá)12 A電流。當(dāng) VIN is 3.3 V 時(shí)，12 A 輸出負(fù)載的峰值效率為 87%。負(fù)載瞬變?nèi)鐖D5b所示。在此設(shè)計(jì)中，F(xiàn)B1 和 FB2 引腳連接在一起，和 RUN1 和 RUN2 引腳一樣。ITH1 和 ITH2 引腳連接在一起，并設(shè)置外部補(bǔ)償以較大限度地減少穩(wěn)定狀態(tài)下的電流失配以及瞬變。

(a) Schematic of LTC3636.

(b) Load Transient (2 A to 6 A, VIN = 3.3 V).

圖5. 12 A/0.85 V穩(wěn)壓器和負(fù)載瞬變的原理圖。

結(jié)論

工業(yè)和汽車領(lǐng)域應(yīng)用要求提供更高智能和自動(dòng)化水平以及更多檢測功能，使得電子系統(tǒng)數(shù)量激增，對電源性能的要求亦越來越高。LTC3636 采用兩個(gè)高效率電源軌簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，每個(gè)電源軌可支持高達(dá)6 A 電流，并且關(guān)斷時(shí)消耗的待機(jī)電流非常低。LTC3636 采用散熱增強(qiáng)型、薄型28引腳、4 mm × 5 mm QFN 封裝。內(nèi)置過溫保護(hù)功能提高了可靠性。芯片提供了一個(gè)用戶可選模式輸入，允許用戶根據(jù)輕載效率來權(quán)衡輸出紋波。突發(fā)工作模式（Burst Mode?)可在輕載下提供高效率，而強(qiáng)制連續(xù)模式提供最低輸出紋波。

審核編輯：郭婷