标签: 偏置电源

凌力尔特公司，微型模块电源产品部设计工程师 Jason Sekanina，微型模块电源产品部产品评估工程师 Alan Chern 很多排列密集和复杂的电路板设计 (例如: 采用多个 ASIC 的嵌入式系统或双核单板计算机) 都采用隔离砖式转换器，以将 48V 配电 (背板) 电压转换为稳定的 3.3V 系统总线电压。这么做有几个原因： 1)    当选择合适的 DC/DC 负载点 (POL) 转换器，将 3.3V 电压转换为较低的电压轨 (2.5V、1.2V、1.0V、0.9V) 以给例如 DDR 存储器、FPGA 内核或收发器供电时，仅用 3.3V 总线电压就可以改善电路板 (所有电路) 的功耗。 2)    仅用一种总线电压 (3.3V) 运行以简化电路设计，因为无需 5V 或 12V 内务处理电源，这种电源常常用来偏置较大功率的 DC/DC POL 稳压器。 3)    将 48V 和 24V 电压转换至 3.3V 时，隔离砖式转换器已经提高了转换器的效率，而且是以更高的输出功率水平。 当 3.3V 总线下游的负载需要超过 5A 甚至高达 12A 的电流时，挑战就出现了。尽管这种需求似乎很少，但是 FPGA、处理器和 ASIC 技术领域的进步已经使设计师能在更小的电路板中，用更多这类器件来提高性能，而且越来越多的应用有了 10A 的负载要求。 最近有一个客户要求，用 3.3V 输入总线供电时，从 1V 电源轨提供 30A 电流。然而，传统的低输入电压大功率开关模式 DC/DC 转换器有 N 沟道 MOSFET，依靠第二个稳压器 (内务处理) 电路来提供高于总线 VIN 的电压，以用于 MOSFET 栅极驱动，这增大了布局复杂性、尺寸和成本。当没有 5V 电压可用时，从 3.3V 输入总线给负载提供大电流的效率是非常低。由此引起过大的功耗会提高稳压器以及周围组件的节温，结果只有一个，就是减弱系统在寿命期内的可靠性。 解救办法 LTM®4611 是一款扁平微型模块 (µModule) 降压型开关模式 DC/DC 转换器，采用紧凑的 15mm x 15mm x 4.32mm LGA 表面贴装封装。开关控制器、MOSFET、电感器和支持组件均内置于封装之中，因此设计可简化为少量外部组件的选择。LTM4611 在 1.5V 至 5.5V (绝对最大值为 6V) 的输入电压范围内工作，适用于各种电源架构，尤其是数据存储和 RAID (独立磁盘冗余阵列) 系统、ATCA (先进电信计算架构) 和网络卡应用中的电源，在这类电源架构中，其中一个或多个常见总线电压是 5V、3.3V、2.8V 和 / 或 2.5V。 由于和相对较高的总线电流相关的配电损耗 (电压降) 的原因，总线电压低于 2.5V 的情况并不常见，尽管如此，在那些必须精确调节负载电压 (即使在短暂或持续的电气过程导致输入总线电压下降时也不例外) 的应用中，LTM4611 可依靠一个 1.5V 输入为其负载提供满功率的能力仍然是特别有利的。系统总线上的瞬变过程一般会因电机、换能器、除纤颤器的运作或微控制器工作速率的提升而出现。系统分布式总线上的故障事件有可能使总线电压下降，但仍然高于 1.5V。LTM4611 依靠低至 1.5V 的输入提供满功率的能力使得可考虑将其用于任务关键型的医疗和工业仪器，这些设备对正常运行时间及总线电压下降凌驾能力有最高的标准。甚至在所谓“电源濒临崩溃”的过程中 (例如：那些由公用事业智能仪表负责监测的系统之电源突然意外地缺失)，LTM4611 亦能为其负载提供精准调节的电源。而在这种情况下，非常希望能够依靠由后备电池或超级电容器供电，以从逐渐减低的电压尽可能长时间工作。 LTM4611 能用低至 1.5V 的电压工作，还带来了另一个优势：随着今天电源系统中电压轨数量的增多，印刷电路板 (PCB) 中铜层数目也在增多，以有效地向负载发送 (分配) 功率。考虑一个假设的例子：如果不增加 PCB 中的铜层数目，那么可能很难将分布式 3.3V 总线电压发送给 3.3V 至 1.5V 和 3.3V 至 1.2V DC/DC 转换器。现在可以采用另一种方式，一个 LTM4611 可以将 3.3V 总线电压转换为分布式 1.5V 铜层电压，同时另一个 LTM4611 可以高效率地将该 1.5V 铜层电压转换为 POL 处的 1.2V。结果主板上的总体解决方案尺寸可能相当有吸引力，同时还无需将 3.3V 总线电压发送到 PCB 的所有部分。在 PCB 制造过程中尽量减少铜层数目的选项有望节省成本和材料，并在批量生产中产生提高 PCB 良率及 PCB 可靠性的关联优势。 自发生偏置电源 LTM4611 不需要采用辅助偏置电源为其内部控制 IC 或 MOSFET 驱动电路供电；它可依靠其输入电源产生其自己的低偏置电源。该内部偏置电源使得 LTM4611 能够采用低至 1.5V 的输入运作，从而可在所有线路电压条件下给其功率 MOSFET 提供强大的栅极驱动信号，并在使用 5V、3.3V 或更低总线电压的系统中实现高效率。LTM4611 背后是一种降压转换器拓扑，该拓扑负责对其输入电压进行降压，以向其输出端提供低至 0.8V 的电压和高达 15A 的连续电流。通过正确地选择输入电源 (取决于电源动态特性和瞬态负载响应) 和局部旁路电容，可在 15A 负载条件下实现一个低于 0.3V 的输入至输出电压降。LTM4611 采用一种固定频率峰值电流模式控制降压转换器方案，默认的工作频率为 500kHz。也可选择利用电阻器对 LTM4611 的 PLLFLTR/fSET 引脚进行引脚搭接，以将开关频率调整至介于 330kHz 和 780KHz 之间，或者，将开关频率同步至一个加至其 MODE_PLLIN 引脚的 360kHz 至 710kHz 时钟信号。 多个电源的均流以提供 60A 或更大的输出电流 LTM4611 支持 4 个模块的均流，以实现输出电流高达 60A 的解决方案。可并联更多的模块以提供更高的输出电流 —— 详情请咨询凌力尔特。电流模式控制使得模块的均流格外可靠和易于实现，并可确保启动、瞬变以及稳态操作情况下模块之间的均流。 与此不同，许多电压模式模块则是通过采用主-从配置或“压降均分 (droop-sharing)”(也被称为“负载线路均分”) 来实现均流。在启动和瞬态负载条件下，主-从模式容易遭受讨厌的过流跳变，而压降均分则会导致负载调节指标下降，且在瞬态负载阶跃期间几乎无法保证优良的模块至模块电流匹配。 从无负载到满负载时，LTM4611 一般提供好于 0.2% 的负载稳定性，而在 -40°C 至 125°C 的整个内部模块温度范围内，最高稳定度为 0.5%。 易于实现 POL 应用：1.8V 至 5.5V 输入到 1.5V/15A 输出 图 1 所示方框图显示，LTM4611 在 1.8V 至 5.5V 的输入范围内工作，以高达 15A 的电流提供 1.5V 输出。输出电压可用 VFB 和 GND 之间的单个电阻器编程。控制环路驱动功率 MOSFET 和输出电压，以便 VFB 等于较低的 0.8V 或 TRACK/SS 引脚上的电压。当该模块的 RUN 引脚超过 1.22V (±10%) 时，TRACK/SS 引脚上的软启动电容器 CSS 设定 LTM4611 的输出启动速率。CSS 确保以单调的输出电压波形启动，支持平滑加电以进入预偏置输出电压状态。另一个电源轨的电阻器分压器可以加到 TRACK/SS 引脚，以设定相对于基准电源轨一致或成比例地跟踪 LTM4611 的输出轨。当为那些在系统上电及断电期间具有严格的电源轨跟踪要求的数字设备供电时，这是一项便利的特性。 图 1：LTM4611 的简化方框图和典型应用 远端采样实现准确的 POL 调节 按照常规，高电流低电压 FPGA、ASIC 和微处理器均要求在 POL 终端 (通常是 Vdd 和 Dgnd 引脚) 上提供经过精确调节的极其准确的电压，标称为 VOUT 的 ±3% (或更好)。在输出电压低于 3.7V 时，这是最难以做到的，而为了满足这种调节要求，LTM4611 提供了一个单位增益缓冲器，以对负载终端处的输出电压进行远端采样。 PCB 中 VOUT 和 GND 铜层之间的压降是不可避免的，这是由物理上存在于模块和负载之间的电阻性分配损耗造成的。如图 1 所示，POL 两端 (VOSNS+ 减去 VOSNS_) 的差分反馈信号在 DIFF_VOUT 端相对于该模块的局部地 SGND 得到了重构，从而允许控制环路补偿在模块输出引脚与 POL 设备之间的供电通路中产生的任何压降。 LTM4611 包括一个输出电压电源良好 (PGOOD) 指示引脚，当输出电压在 VOUT 标称值的 ±7.5% 以内时，该引脚提供一个逻辑高电平开漏信号；否则，PGOOD 拉至逻辑低电平。LTM4611 提供折返电流限制，以保护自身和上游电源免受输出端故障的影响。LTM4611 还包括一种输出过压保护功能：当输出电压超过标称值的 107.5% 时，内部低压端 MOSFET 接通，直到过压情况清除为止。 你的机器有多环保? 今天和以往同样重要的是 DC/DC 电源转换效率和热量管理。LTM4611 采用耐热增强型 LGA (焊盘网格阵列) 封装，以小的焊盘格局 (仅 15mm x 15mm) 和小的物理体积 (高仅 4.32mm，因此仅占用 1cm3 的空间) 提供富有吸引力的高效率。图 2 显示了 LTM4611 在各种输入和输出电压组合情况下的效率。除了高效率之外，在给定的输入电压和输出负载条件下，LTM4611 的功耗曲线相对平坦，从而使 LTM4611 的热设计以及在后续产品中的重复使用变得简单易行，即使在电源轨电压由于 IC 芯片不断缩小而日益下降的情况之下也不例外。 图 2：在不同的输入和输出电压情况下，LTM4611 的效率随负载电流的变化 就越来越多的应用而言，降低轻负载时的功耗与降低重负载时的功耗同等重要。在只要可能而且无论何时只要可行 (就能量转换而言) 的情况下，数字器件就会被有意设计成在较低功率状态下工作，而且仅间歇性地吸取峰值功率 (满负载)，这种做法越来越普遍。LTM4611 支持脉冲跳跃模式 (Pulse-Skip Mode) 和突发模式 (Burst Mode®) 工作，与强制连续模式 (Forced Continuous Mode) 工作相比，这两种工作模式在较小的负载电流 ( 3A) 时，提供高得多的效率。 耐热增强型封装 该器件的 LGA 封装允许从顶部和底部散失热量，因而便于使用金属底盘或 BGA 散热器。这种外型有助于在有或没有气流的情况下，实现非常好的散热。图 3 显示了 LTM4611 顶部的红外 (IR）热像，图中 LTM4611 将 5V 输入转换为 1.5V/15A 输出，在没有气流的情况下，在实验台上测得的功耗为 3.5W。其最高的表面温度约为 65°C。 图 3：LTM4611 稳压器的顶部热像，从 5V 输入产生 1.5V/15A 输出。功耗为 3.5W。该结果是在表面温度为 65°C、无气流情况下在实验台上测得的。 图 4：LTM4611 是一个完整的低 VIN DC/DC 稳压器系统，采用小型表面贴装封装。 结论 LTM4611 是一款微型模块降压型稳压器，非常容易放入需要由低压输入 (低至 1.5V) 提供大输出电流的 POL 应用。在整个输入电压范围内，LTM4611 的效率和热性能都很高，从而简化了在 POL 应用中的放置。LTM4611 提供高达 15A 的输出电流，而且可以非常容易地并联以产生高达 60A 的电流，就新一代 3.3V 以及其他系统总线架构而言，该器件有助于简化和实现安装在电路板上的电源解决方案。