三相、三輸出控制器節(jié)省了POL轉(zhuǎn)換器的占用空間

背景

大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都通過48V背板來供電。該電壓通常被降壓至一個(gè)較低的中間電壓（12V或5V），以向系統(tǒng)內(nèi)部的電路板架輸送功率。然而，這些電路板上的大多數(shù)子電路或IC都要求以0.8～3.3V的電壓進(jìn)行供電（在幾十毫安到幾十安培的電流條件下）。因此，需要采用負(fù)載點(diǎn)（POL）DC/DC轉(zhuǎn)換器，把12V或5V電壓降至子電路或IC所要求的期望電壓和電流水平。

由于在這些系統(tǒng)中，空間和冷卻很受重視，因此所有的POL轉(zhuǎn)換器都必需緊湊且高效，這一點(diǎn)極為重要。此外，許多微處理器和數(shù)字信號處理器（DSP）還需要一個(gè)內(nèi)核電源和一個(gè)輸入/輸出（I/O）電源，這些電源必須在啟動期間進(jìn)行排序。設(shè)計(jì)師不得不考慮上電和斷電操作期間內(nèi)核和I/O電壓源的相對電壓和定時(shí)，以與制造商的規(guī)格相符。如果未進(jìn)行正確的電源排序，就有可能出現(xiàn)閉鎖或電流消耗過大的情況，從而導(dǎo)致微處理器的I/O端口或某個(gè)支持器件（例如存儲器、可編程邏輯器件PLD、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器）的I/O端口受損。為了確保在給內(nèi)核電壓施加正確的偏置之前不對I/O負(fù)載進(jìn)行驅(qū)動，內(nèi)核電源電壓和I/O電源電壓的跟蹤是必不可少的。

對于任何給定的DC/DC轉(zhuǎn)換器，盡管啟動和停機(jī)跟蹤可在外部實(shí)現(xiàn)，但電源排序要求將因系統(tǒng)的不同而存在差異。這些解決方案包括可通過可編程接口或外部元件進(jìn)行配置的專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP），基于可編程微控制器的解決方案和FPGA解決方案。

人們希望在電壓不斷下降的情況下增加電流，這種日漸增長的需求將繼續(xù)推動電源開發(fā)活動的開展。該領(lǐng)域的許多成果都可歸功于功率轉(zhuǎn)換技術(shù)的進(jìn)步，特別是電源IC和功率半導(dǎo)體器件的改善。一般說來，這些元件是通過允許在幾乎不影響功率轉(zhuǎn)換效率的前提下提高開關(guān)頻率來增強(qiáng)電源性能的。通過降低開關(guān)和通態(tài)損耗、并實(shí)現(xiàn)高效散熱，便可做到這一點(diǎn)。不過，由于輸出電壓呈逐漸下降之勢，因而給這些因素施加了更大的壓力，這又帶來了重大的設(shè)計(jì)難題。

多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對于由兩個(gè)或更多的轉(zhuǎn)換器來處理單個(gè)輸入的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（各轉(zhuǎn)換器彼此同步，但以不同的鎖定相位來運(yùn)行），“多相”被認(rèn)為一個(gè)“一般術(shù)語”。這種方法減小了輸入紋波電流、輸出紋波電壓和總RFI特征信號，并可提供高電流單路輸出或多個(gè)具有完全穩(wěn)定的輸出電壓的較低電流輸出。它還允許采用較小的外部元件，對于單片式器件而言，這將增加輸出電流能力，因?yàn)榭梢院苋菀椎匕讯鄠€(gè)較小的MOSFET做在“芯片之上”。而且，其額外的好處是改善了熱管理。

多相、單輸出電路被稱為PolyPhase(多相)電路，而多輸出、單輸入電源則被視作最基本的多相。多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可被配置為“降壓型”、“升壓型”、甚至“正激式”，但“降壓型”配置往往是更加普遍的應(yīng)用。一般而言，控制器解決方案適用于較高的功率（通常高于15～20W），并需要采用外部分立MOSFET。

因此，多相操作在必需生成一個(gè)高電流輸出的場合使用（比如用于替代“磚”型DC/DC轉(zhuǎn)換器），而多相操作則在需要多個(gè)具有不同電壓的輸出（例如，用于小型系統(tǒng)中的FPGA或處理器電源的2.xV和1.xV）的場合中使用。

多功能IC提供了最佳的靈活性

如果跟蹤和排序性能欠佳，則會對嵌入式系統(tǒng)中的器件造成無法補(bǔ)救的損壞。FPGA、PLD、ASIC、DSP和微處理器通常在內(nèi)核與I/O電源之間布設(shè)二極管，用作ESD保護(hù)元件。如果電源違犯了跟蹤要求并對保護(hù)二極管施加了正向偏壓，則器件有可能受損。

電源排序、跟蹤和多輸出電壓軌已成為DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊的常見功能；然而，這些功能在DC/DC控制器IC中則并不多見。不過，最近出現(xiàn)了一些新產(chǎn)品，比如凌力爾特近期推出的三相、三輸出同步降壓型控制器LTC3773，該器件具有上述的全部3種電源管理功能。而其最大的與眾不同之處還在于其快速瞬態(tài)響應(yīng)、一個(gè)可實(shí)現(xiàn)至系統(tǒng)時(shí)鐘的同步的鎖相環(huán)（PLL）和一個(gè)高準(zhǔn)確度基準(zhǔn)。

此外，LTC3773還是一款高效、三相DC/DC控制器，能夠處理高達(dá)36V的輸入，并支持0.6～5V的單、雙或三輸出電壓，每相可提供15A以上的電流?？梢园哑渲械膬上噙B接起來，以作為一個(gè)30A輸出；在該場合中，可使兩個(gè)通道反相運(yùn)作，以最大限度地減小輸入電容器上的應(yīng)力。所有三個(gè)通道還能夠調(diào)節(jié)單個(gè)輸出，以提供超過45A的電流。可以采用“比例”或“重合”配置來對每個(gè)通道進(jìn)行單獨(dú)跟蹤；還可借助極少的外部元件來順序地啟用和停用各通道。當(dāng)全部三個(gè)通道均被停用時(shí)，控制器一般僅消耗18μA電流（在停機(jī)模式中）。在輕負(fù)載條件下，LTC3773可工作于突發(fā)模式Burst Mode（以最大限度地提升效率）、強(qiáng)制連續(xù)模式（恒定頻率操作以實(shí)現(xiàn)最低的紋波）或脈沖跳躍模式（作為前兩種運(yùn)作模式的折衷方案）。

開關(guān)頻率可被鎖相至一個(gè)160～700kHz的外部信號源，或利用PLLFLTR引腳上的一個(gè)DC電壓來設(shè)定。還提供了220kHz、400kHz和560kHz的典型引腳可選頻率。不管在哪一種場合中，CLKOUT引腳都將以通道1的開關(guān)頻率為基準(zhǔn)而把工作頻率表示為0°、60°至180°，當(dāng)多個(gè)控制器IC采用同一組輸入電容器進(jìn)行操作的時(shí)候，這將是一個(gè)有用的特點(diǎn)。

當(dāng)需要在盡可能小的占板面積內(nèi)提供三個(gè)15A輸出時(shí)，LTC3773是一種不言而喻的選擇。圖1給出了一款單控制器電路示意圖，該電路可從一個(gè)寬松穩(wěn)壓電源提供三個(gè)低電壓、高電流輸出。

圖1  具有三個(gè)獨(dú)立輸出的LTC3773應(yīng)用電路

每個(gè)輸出基準(zhǔn)保證在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)維持 ±1%以內(nèi)的準(zhǔn)確度。在啟動期間，比例跟蹤把Vout2和3的反饋基準(zhǔn)保持在0.6V（Vout1為2.5V），以使三個(gè)輸出同時(shí)達(dá)到其命令電平（見圖2）。TRACK1引腳電壓通過利用一個(gè)內(nèi)部  1μA電流源對0.01μF電容器進(jìn)行充電而上升。在不需要進(jìn)行電源跟蹤的場合，所有的TRACK引腳都可以連接至外部電容器，這樣它們就將在不考慮外部電壓源的情況下對其各自的通道實(shí)施軟起動。但是，如果通道1的輸出被短路，那么通道2和3將會發(fā)生什么情況？把一個(gè)TRACK分壓器的正節(jié)點(diǎn)拉至零并不總是將在各自的輸出端上產(chǎn)生0V電壓；TRACK引腳中的短暫上拉電流有可能在與之相連的分壓器中產(chǎn)生不希望的偏移，從而在通道2和3上產(chǎn)生無用的低輸出電壓或“打嗝”現(xiàn)象。然而，LTC3773在其跟蹤電路中采用了一個(gè)30mV的偏移，因而能夠停用每個(gè)通道的驅(qū)動器，直到其TRACK引腳上加有至少30mV的電壓為止。當(dāng)TRACK電平升至100mV時(shí)，該偏移將消失，這樣，當(dāng)它們接近其終值時(shí)，通道2和3就能夠進(jìn)行可預(yù)測跟蹤。

圖2  運(yùn)行中的比例跟蹤

監(jiān)視與電感器相串聯(lián)的檢測電阻器可提供準(zhǔn)確的電流限制。控制器可防止器件在啟動期間遭受過大涌入電流的損害，并對輸出短路期間流經(jīng)電感器和主MOSFET的電流加以限制。當(dāng)反饋引腳VFB的電壓高出0.6V基準(zhǔn)電壓達(dá)3.75%時(shí)，它通過接通同步MOSFET來拉低輸出，從而起到保護(hù)輸出電容器和負(fù)載的作用；當(dāng)偏置電源VCC降至3.94V以下時(shí)，它將被關(guān)斷，以確保外部MOSFET在安全的柵極驅(qū)動電平條件下運(yùn)作。如果任何通道的反饋電壓超出0.600V內(nèi)部基準(zhǔn)的 ±10%并持續(xù)100μs，則漏極開路電源良好PGOOD引腳將被拉至低電平。

只需在每個(gè)輸出端上布設(shè)兩個(gè)47μF陶瓷電容器，每個(gè)通道即可保持穩(wěn)定，從而可在中等至重負(fù)載的條件下提供低紋波，并實(shí)現(xiàn)盡可能快的瞬態(tài)響應(yīng)。利用電流模式操作，轉(zhuǎn)換器可對輸入電壓瞬變做出快速響應(yīng)，從而可在輸入電壓擺幅很寬的情況下對脈沖寬度進(jìn)行逐周期校正。通道至通道干擾實(shí)際上并不存在，即使在一個(gè)通道上發(fā)生大幅度負(fù)載階躍的過程中也不例外。

適合雙輸出的一種更好的替代方案

與單相開關(guān)穩(wěn)壓器相比，兩相轉(zhuǎn)換器在輸入電容器上施加的紋波電流較小，因而可采用尺寸較小、成本較低的輸入電容器。該方法使來自開關(guān)的電流脈沖產(chǎn)生交錯(cuò)，從而極大地減少了彼此重疊的時(shí)間。較低的紋波電流意味著功耗的減少和效率的提高以及電磁干擾的減低。兩相轉(zhuǎn)換器還使有效開關(guān)頻率倍增，從而降低了輸出紋波電壓。

為了完全實(shí)現(xiàn)這些好處，兩個(gè)通道應(yīng)以180°相位差工作。LTC3773允許通道2和3異相操作，當(dāng)它們被連接起來作為單個(gè)高電流輸出時(shí)，這是一種有用的選項(xiàng)。例如：通道1的輸出可為2.5V（在15A電流條件下），而通道2（通道2和3連接在一起）的輸出則可為1.8V（在30A電流條件下）。這第二個(gè)雙相通道將表現(xiàn)出超卓的電流均分性能，且無通道至通道干擾，并具有極小的輸出紋波（在兩倍于開關(guān)節(jié)點(diǎn)工作頻率的條件下）。

概要

由于存在諸多的約束（有限的空間、給定外殼內(nèi)的冷卻以及為改善系統(tǒng)可靠性而必需進(jìn)行的正確電源跟蹤），因此用于嵌入式系統(tǒng)的POL DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)師們面臨著許多挑戰(zhàn)。盡管LTC3773不得不遵從這些眾多的約束條件，但它在單顆IC芯片中提供了三個(gè)獨(dú)立的高電流輸出，因而能夠造就一款簡單、緊湊、高效且功能豐富的解決方案。