背景信息

下一代路由器和交換機越來越復(fù)雜，而且要有較強的可擴展能力，這給電源制造商帶來了壓力，要求他們提高效率，減小解決方案體積，提供靈活的解決方案，以在多種平臺上擴展應(yīng)用。系統(tǒng)設(shè)計師經(jīng)常會具有某一基本架構(gòu)的幾種變型，從而使他們能夠提供各具不同特性集的高端、中端和低端系統(tǒng)�？筛鶕�(jù)系統(tǒng)需要增添、移除或調(diào)整大小的器件類型示例包括;內(nèi)容可尋址存儲器 (CAM)、三元內(nèi)容可尋址存儲器 (TCAM)、專用集成電路 (ASIC)、全定制硅芯片和現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)。

CAM 通常被描述為與隨機訪問存儲器 (RAM) 完全不同。要讀取 RAM 中的數(shù)據(jù)時，操作系統(tǒng)必須提供數(shù)據(jù)所在的存儲器地址。存儲在 CAM 中的數(shù)據(jù)則可通過查詢內(nèi)容本身來訪問，存儲器讀取能夠找到數(shù)據(jù)的地址。由于其并行本質(zhì)，CAM 要比 RAM 快很多。但是，這會消耗很大的功率，產(chǎn)生較多的熱量。CAM 非常昂貴，因此，一般不用在 PC 中。即使是路由器供應(yīng)商有時候也會非常節(jié)儉，轉(zhuǎn)而選擇實現(xiàn)基于高級軟件的搜索算法。網(wǎng)絡(luò)處理設(shè)備中會使用 CAM，包括 Intel IXP 卡和各種路由器或交換機。最常實現(xiàn)的 CAM 被稱之為二元 CAM。它們只搜索 1 和 0�？梢源_定的是以千兆位線速率轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)幀的任何交換功能都使用了 CAM 進行查找。如果它們使用 RAM，操作系統(tǒng)則不得不記住存儲任何內(nèi)容的地址。而采用 CAM，操作系統(tǒng)可以在一次操作中找到自己所需要的。

TCAM 是一種特殊類型的高速存儲器，在一個時鐘周期中搜索所有內(nèi)容。“三元”這個術(shù)語指的是存儲器使用三種不同的輸入 (0、1 和 X) 來存儲和查詢數(shù)據(jù)的能力。常被稱為“隨意”或“通配符”狀態(tài)的“X”輸入使得 TCAM 能夠完成基于圖形匹配的更廣泛搜索，這與二元 CAM 截然相反，后者執(zhí)行的是僅采用 0 和 1 的精確匹配搜索。路由器可以在這些 TCAM 中存儲完整的路由表，能夠非常快速的進行查找。TCAM 提高了查找速度，也增強了數(shù)據(jù)包分類和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)能力，但是功耗比 CAM 高。CAM 和 TCAM 都需要非常精確的設(shè)置點，有嚴格的電壓瞬變要求，這對于電源設(shè)計師而言是很大的挑戰(zhàn)。

ASIC 是另一種可以用在路由器和交換機中的器件，這種集成電路 (IC) 能夠針對某種應(yīng)用進行定制，而不是面向通用應(yīng)用。新式 ASIC 常常包含整個微處理器、內(nèi)存塊 (包括 ROM、RAM、EEPROM、閃存) 及其他大型單元式部件。這樣的一個 ASIC 通常被稱為 SoC (片內(nèi)系統(tǒng))，而且此類 ASIC 會需要幾百安培的電流和介于 0.8V 至 1.2V 范圍內(nèi)的電壓。采用 TCAM 和 CAM，設(shè)置點準確度和瞬變響應(yīng)對于這些解決方案的整體性能非常關(guān)鍵。小解決方案尺寸和優(yōu)異的電流控制功能也是電源設(shè)計師的關(guān)鍵要求。

FPGA 是用于路由器和交換機的另一類器件，是一種可以進行編程的集成電路。FPGA 用在特殊系統(tǒng)設(shè)計中，支持用戶對微處理器進行定制以滿足他們自己獨特的需求。這類器件有多路電壓輸入，其內(nèi)核電源要求提供一百安培以上的電流。

可擴展能力

分配給某一路由器的 CAM 和 TCAM 數(shù)量取決于網(wǎng)絡(luò)公司怎樣定位他們的產(chǎn)品 —— 是低端、中端還是高端路由器。較昂貴的路由器通常會有足夠的 CAM 和 TCAM，以便實現(xiàn)最高速度、最快查找和最大的吞吐量。但是，某些客戶不愿意購買高端路由器，除非他們認為增加額外的成本是合理的。因此，需求是要求能夠提供具有不同級別功能的多種平臺，如果有可以用于不同功率電平而且有多路輸出的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來支持多種平臺將會非常方便。

現(xiàn)有的解決方案一般能夠提供多相設(shè)計，但是只有一路或者兩路輸出。如果有兩路以上的大電流負載，用戶會求助于使用多個控制器，這增加了解決方案的尺寸、設(shè)計復(fù)雜度和成本。此外，某些現(xiàn)有的電源解決方案需要一種與標準 DrMOS 或電源模塊 (power block) 器件不兼容的專用功率鏈路器件。凌力爾特公司的 LTC7851/-1 控制器滿足了對跨多個平臺靈活性的需求，這些平臺要求提供同時支持大電流輸出和高密度多路輸出負載點的解決方案。

可擴展的解決方案

LTC7851/-1 是一款多相同步電壓模式降壓控制器，支持用戶靈活的從一路、兩路、三路或者四路輸出中進行選擇，根據(jù)所選擇的外部元器件，能夠為每路輸出提供高達 40A電流。作為一個實例，所有 4 相可以組合在一起為內(nèi)核電源提供 160A，或者提供支持系統(tǒng)電源以及 ASIC 各種 I/O 電源軌的 4 路獨立輸出。LTC7851/-1采用 DrMOS、電源模塊 (Power Block) 以及分立型 N 溝道 MOSFET 和用于功率鏈路器件的相關(guān)柵極驅(qū)動器一起工作，從而實現(xiàn)了靈活的設(shè)計配置。采用兩個 IC 時，最多可把 8 相并聯(lián)以及進行異相計時，以最大限度地減少針對非常高電流要求 (超過 260A) 的輸入和輸出濾波。采用三個 IC 時，通過使用一個外部時鐘芯片 (例如：LTC6902) 可對多達 12 相進行 30° 異相計時。

而且，當并聯(lián)時，LTC7851 / -1 的內(nèi)部輔助均流環(huán)路可使相位之間的電流達到均衡，從而能夠跨多顆 IC 在相位間實現(xiàn)準確的均流，在穩(wěn)態(tài)和瞬變過程中皆是如此。它采用了 3V 至 5.5V 的 V_CC 供電電壓工作，設(shè)計用于對 3V 至 27V 的輸入電壓進行降壓轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生 0.6V 至 5V 的 1 至 4 路獨立輸出電壓。器件的電壓模式控制架構(gòu)允許 250kHz 至 2.25MHz 的可選固定工作頻率，也可以同步至一個同樣范圍的外部時鐘。通過監(jiān)視輸出電感器 (DCR) 兩端的壓降可檢測輸出電流，從而提高了效率，也可以使用低阻值檢測電阻器檢測輸出電流。內(nèi)置差分放大器在所有輸出上提供了真正的遠程輸出電壓檢測功能，實現(xiàn)了高準確度的調(diào)節(jié)功能。

LTC7851-1 與 LTC7851 相似，只是前者具有較低的電流檢測放大器增益，因而非常適合于采用具內(nèi)部電流檢測能力之 DrMOS 的功率鏈路應(yīng)用。針對每相的其他特點包括電流監(jiān)視、可調(diào)電流限值、可編程軟起動或跟蹤、以及個別的電源良好信號。此外，它還能在一個 –20°C 至 85°C 的工作溫度范圍內(nèi)保持 ±0.75% 的輸出電壓準確度，并采用 58 引腳 5mm x 9mm QFN 封裝。應(yīng)該認識到，精心設(shè)計的準確基準能夠極大地減少滿足當今定制硅芯片和 ASIC 之瞬態(tài)響應(yīng)所需的體輸出電容量。圖 1 示出了采用 DrMOS 作為功率鏈路器件以把一個 7V 至 14V 輸入轉(zhuǎn)換為一個 1.2V/120A 輸出的簡化原理圖。

圖1：LTC7851 簡化原理圖，實現(xiàn)了 1.2V/120A 單輸出

效率

圖 2 中的 LTC7851 效率曲線表示了圖 1 電流原理圖，顯示了具有高達 120A 輸出電流的 7V、12V 和 14V 輸入電壓。可以實現(xiàn)高達 94.5% 的效率。

圖2：LTC7851 在 7V、12V 和 14V 輸入至 1.2V/120A 單輸出時的效率曲線

效率 (%)

負載電流 (A)

電流平衡

當把多個 LTC7851/-1 的通道并聯(lián)以驅(qū)動一個公共負載時，準確的輸出均流對于實現(xiàn)最佳性能和效率是必不可少的。否則，倘若某個電路級提供的電流多于另一個電路級，則這兩個電路級之間的溫度將是不同的，而且這有可能轉(zhuǎn)化為較高的開關(guān) R_DS(ON)、較低的效率和較高的 RMS 紋波。這里，即使是少量的失配也會極大地減少多相設(shè)計中的可用總功率。利用 LTC7851 嚴緊的均流規(guī)格，設(shè)計師將能從當今的 DrMOS 器件提取最大的輸出電流。

對于單輸出多相應(yīng)用，LTC7851/-1 內(nèi)置了一個輔助均流環(huán)路，在該環(huán)路中每個周期對電感器電流進行采樣。主控制器的電流檢測放大器輸出在 I_AVG 引腳上取平均。一個連接在 I_AVG 和 GND 之間的小電容器 (通常為 100pF) 負責(zé)存儲一個與主控制器的瞬時平均電流對應(yīng)的電壓。主控器相位和受控器相位 I_AVG 引腳連接在一起，而且每個受控器相位對其電流與主控器之間的差異進行積分。在每相內(nèi)，積分器輸出與系統(tǒng)誤差放大器電壓 (COMP) 進行按比例求和，并調(diào)節(jié)該相位的占空比以均衡電流。當多顆 IC 采取菊鏈式連接時，I_AVG 引腳連接在一起，從而導(dǎo)致一個大約 2% 至 3% 的電流失衡。圖 3 示出了四相中每相的電感器電流檢測電壓與負載電流的關(guān)系曲線，以及它們在整個負載范圍內(nèi)所達到的平衡水平。

圖3：單路 1.2V/120A 輸出的四相電流平衡

負載 (A)

多相工作

可對多達 12 相進行菊鏈式連接以彼此異相地同時運行。多相電源減小了輸入和輸出電容器中的紋波電流量，因而與采用單相替代方案相比顯著地降低了 EMI 和濾波要求。RMS 輸入紋波電流除以所用相位的總數(shù)，而有效紋波頻率則乘以所用相位的總數(shù)。另外，輸出紋波幅度也降低了所實現(xiàn)之相位數(shù)的倍數(shù)。如圖 4 所示，針對 3、4、8 或 12 相運作來連接多個器件是十分容易的。

圖4：LTC7851 多相配置

當在單輸出、多相應(yīng)用中使用 LTC7851/-1 時，受控器誤差放大器必須通過把其 FB 引腳連接至 V_CC 來停用。應(yīng)僅使用一個連接至 SGND 的電阻器把所有的電流限值均設(shè)定為相同的數(shù)值。CLKOUT 信號可連接至隨后的 LTC7851/-1 電路級之 CLKIN 引腳，以對齊整個系統(tǒng)的頻率和相位。

結(jié)論

路由器和交換機設(shè)計越來越復(fù)雜，電源系統(tǒng)設(shè)計師現(xiàn)在可以使用適用于多個平臺的一個 DC/DC 控制器來建立不同功率級的設(shè)計。使用功率鏈路中的 DrMOS 或者電源模塊 (power block)，從 1 到 12 相中進行選擇，而且每相高達40A，這使得 LTC7851/-1 能夠為當今要求最嚴格的通信和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品提供非常靈活的解決方案。