面向多軌預(yù)偏置負(fù)載應(yīng)用的靈活排序

     大多數(shù)大型嵌入式系統(tǒng)都由48V輸入供電，該48V輸入通過背板發(fā)送到系統(tǒng)內(nèi)每個PC板，這種供電方式常常稱為分布式電源系統(tǒng)。該48V輸入通過一個隔離式中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)降至一個較低的電壓，通常在5V至12V范圍。然后，這種中間總線輸出電壓需要再次降低，以用于分支電路和電路板上的IC，這些分支電路和IC需要數(shù)十毫安至數(shù)十安電流和0.8V及更高的電壓。這些完成再次降壓的器件稱為負(fù)載點(POL)穩(wěn)壓器。

　　分布式電源系統(tǒng)中一般包括微處理器和數(shù)字信號處理器(DSP)，這兩類器件都需要內(nèi)核電源和輸入/輸出(I/O)電源，在啟動和停機時，這些電源必須排序。設(shè)計師必須考慮加電和斷電時內(nèi)核及I/O電壓的相對大小及電壓的時序，以符合制造商的性能規(guī)范。如果沒有正確的電源排序，就會發(fā)生閉鎖或過度吸收電流，這有可能導(dǎo)致微處理器I/O端口或支持器件(如存儲器、可編程邏輯器件、現(xiàn)場可編程門陣列、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等) I/O端口的損壞。為了確保內(nèi)核電壓正確偏置后再驅(qū)動I/O負(fù)載，跟蹤內(nèi)核電源電壓和I/O電源電壓是必要的。

　　某些處理器要求I/O電壓先于內(nèi)核電壓上升，而有些DSP則要求內(nèi)核電壓先于I/O電壓上升。斷電排序也需要。有多達(dá)7個輸入電壓軌需要排序的專用集成電路(ASIC)很普遍。理想的排序允許系統(tǒng)中所有軌任意排序，允許任何軌的升降取決于其他軌。在這些軌之間建立一種依賴關(guān)系，這樣，如果在順序加電時，其中一個軌沒有上升到滿電壓，那么加電過程就停止。此外，在FPGA、PLD、DSP和微處理器中，一般將二極管作為靜電放電(ESD)組件，放置在內(nèi)核和I/O電源之間。如果輸入電壓未加控制，或如果電源無法給預(yù)偏置負(fù)載供電，那么加電或斷電時，這些內(nèi)部二極管可能會損壞。

　　在預(yù)偏置負(fù)載情況下，負(fù)載上已經(jīng)加上了一個電壓，該電壓可能是穩(wěn)定狀態(tài)的電壓，也可能是從加電或斷電起開始轉(zhuǎn)變的電壓。提到可以預(yù)偏置的IC，ASIC是一個很好的例子。一般情況下，ASIC會需要多個電壓軌工作在例如1.0V、1.1V、1.2V、1.8V、2.5V和3.3V。在 ASIC 內(nèi)部，這些軌之間都會有一個二極管，通過不允許電壓高于二極管兩端的壓差來實現(xiàn)內(nèi)部保護(hù)。加電或斷電時，可能存在一種情況──ASIC內(nèi)兩個軌之間的電壓比二極管壓降高得多，從而引起很大的電流流過二極管，并導(dǎo)致二極管出故障。這種大電流可能回流到DC/DC轉(zhuǎn)換器的同步MOSFET 中，而且這種情況通常在加電或斷電時發(fā)生。采用一個在接通或斷開時不允許負(fù)電流流經(jīng)輸出電感器的DC/DC轉(zhuǎn)換器，就可以防止這個問題，這種方法要求DC/DC轉(zhuǎn)換器在加電或斷電時以突發(fā)模式(Burst Mode)或斷續(xù)傳導(dǎo)模式工作。

　　解決老問題的新方法

　　凌力爾特公司的DC/DC轉(zhuǎn)換器可以安全地給預(yù)偏置負(fù)載供電，最近推出的三輸出、多相同步DC/DC控制器LTC3853就是這類DC/DC轉(zhuǎn)換器之一。LTC3853是一種高效率、三輸出同步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓控制器，具一致或比例制跟蹤能力。通過準(zhǔn)確的運行門限和兩個電源良好輸出，電源排序非常容易實現(xiàn)。其4.5V至24V(最大值為28V)的輸入范圍涵蓋了種類繁多的應(yīng)用，其中包括大多數(shù)中間總線電壓。強大的內(nèi)置柵極驅(qū)動器給所有N溝道 MOSFET級供電，而且在一個通道的輸出電壓范圍為0.8V至13.5V、另兩個通道的輸出電壓范圍為0.8V至5.5V時，每相可產(chǎn)生超過20A的輸出電流。恒定頻率架構(gòu)允許250kHz至750kHz的可選固定或可同步鎖相環(huán)(PLL)頻率。

　　LTC3853配置為3個單獨的輸出，還可以配置為2 + 1型控制器，在這種情況下，可將通道1和通道2連起來使兩個輸出并聯(lián)，通道3則是一個獨立的輸出。通過使3個輸出級以 120°相差運行，可最大限度地降低功耗和電源噪聲。當(dāng)配置為2 + 1型控制器時，通道1和通道2相位相差180°，當(dāng)有一個大電流輸出和一個小電流輸出時，保持輸入電流得到最佳平衡。

　　以2 + 1模式運行的雙輸出轉(zhuǎn)換器

　　圖1顯示了在6.5V至14V輸入范圍內(nèi)工作的雙輸出轉(zhuǎn)換器原理圖。通道1和通道2饋送相同的1.2V輸出，而通道3控制第二個3.3V輸出。這種2 + 1型配置僅需要一個RUN引腳(RUN1)來啟動通道1和通道2。通道2的反饋誤差放大器被禁止，兩個通道共用通道1的反饋分壓器。電流檢測比較器的封裝后微調(diào)可提供通道1和通道2之間的卓越均流。圖2中對這一點進(jìn)行了說明，其中顯示了±25%負(fù)載階躍時每個通道的電感器電流，所產(chǎn)生的輸出電壓瞬態(tài)約為63mVpp，不到±3%。

圖1 在6.5V至14V輸入范圍內(nèi)工作的雙輸出轉(zhuǎn)換器原理圖[!--empirenews.page--]

圖2

　　軟啟動或跟蹤

　　LTC3853的輸出電壓可以配置為可編程軟啟動，或可以配置為跟蹤另一個通道的輸出電壓，或跟蹤一個外部電源電壓，這時3個輸出電壓中的任何一個電壓都是獨立的。當(dāng)輸出電壓配置為軟啟動時，需要一個電容器連到其TK/SS引腳。這個TK/SS引腳允許用戶設(shè)定，其輸出如何相對于另一個輸出電壓斜坡上升或下降。通過這些引腳，輸出可以設(shè)置為一致或成比例地跟蹤該器件自己的電壓或另一個電源的輸出。這些斜坡曲線如圖3所示。跟蹤另一個輸出電壓時，去掉了軟啟動電容器。為了實現(xiàn)比例制跟蹤，用于輸出電壓反饋信號的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)連到了相應(yīng)的TK/SS引腳，以跟蹤該輸出。為了實現(xiàn)一致跟蹤，將一個額外的電阻分壓器連接到VOUT1，然后將其中點連接到完成比例制跟蹤任務(wù)的從屬通道的TK/SS引腳。這個分壓器的分壓比應(yīng)該與從屬通道反饋分壓器的分壓比相同。

圖3 [!--empirenews.page--]

　　不過，至于應(yīng)該設(shè)定哪一種模式，也是個問題。盡管兩種模式哪一種都滿足大多數(shù)實際應(yīng)用的需求，但是還是需要進(jìn)行一些權(quán)衡。比例制跟蹤模式省去了一對電阻器，而一致跟蹤模式提供更好的輸出穩(wěn)壓。

　　工作模式

　　在輕負(fù)載情況下，LTC3853可以設(shè)定為以突發(fā)、脈沖跳躍或連續(xù)這3種模式之一工作。在突發(fā)模式中，利用開關(guān)把一至數(shù)個突發(fā)脈沖接入電路，以補充輸出電容器儲存的電荷，接下來是一個長長的休眠期，這時由輸出電容器提供負(fù)載電流，因此突發(fā)模式工作可提供最高的效率。強制連續(xù)模式從無負(fù)載到滿負(fù)載提供固定頻率工作，從而提供較低的輸出電壓紋波，但代價是較低的輕負(fù)載效率。脈沖跳躍模式的工作特點是，在需要時斷開同步開關(guān)，以防止電感器電流反向。脈沖跳躍模式是其他兩種模式的折中，與強制連續(xù)模式相比，提供最小的紋波和較高的輕負(fù)載效率，但不是以恒定頻率工作。無論哪種模式，LTC3853在負(fù)載電流較大時，都以恒定頻率工作。在啟動和停機時，LTC3853的缺省設(shè)置都是脈沖跳躍模式，而且不允許輸出電感器中有負(fù)電流。

　　多相工作

　　多相是描述一些拓?fù)涞囊话阈孕g(shù)語，在這些拓?fù)渲?，由兩個或更多個轉(zhuǎn)換器處理一個輸入，這些轉(zhuǎn)換器相互同步但以不同的鎖定相位運行。這種方法降低了輸入紋波電流、輸出紋波電壓和總的無線頻率干擾(RFI)特征，同時允許大電流單輸出或具完全穩(wěn)定輸出電壓的多個較低電流輸出。當(dāng)多個相位并聯(lián)以滿足大功率需求時，這種方法還允許使用較小的外部組件，這又增加了改進(jìn)熱量管理的好處。

　　其他特點

　　LTC3853采用真正的電流模式控制，這種控制可在寬輸出電容和ESR值范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定工作，包括用來實現(xiàn)最小解決方案尺寸的所有陶瓷輸入和輸出電容器。通過測量輸出電感器(DCR)兩端的壓降，或通過使用一個可選檢測電阻器，可進(jìn)行輸出電流檢測。過流折返限制MOSFET在短路和過載情況下散發(fā)的熱量。在-40°C至125°C的工作溫度范圍內(nèi)，LTC3853還具有準(zhǔn)確度為±1%的0.8V精確基準(zhǔn)。LTC3853具有高達(dá)98%的占空比，并有非常低的壓差電壓，在電池供電應(yīng)用中延長運行時間而言，這個特點非常有用。

　　既然在分布式電源系統(tǒng)中，空間和冷卻都很難得，那么就任何POL轉(zhuǎn)換器而言，緊湊和高效都是非常重要的。圖4顯示了圖1電路的效率，而圖5顯示了采用全陶瓷電容器配置時每通道為15A的LTC3853演示板圖片。

圖4 圖1電路的效率

圖5 采用全陶瓷電容器配置時每通道為15A的LTC3853演示板圖片

　　結(jié)論

　　在嵌入式應(yīng)用的分布式電源系統(tǒng)中，電壓軌的數(shù)量持續(xù)增加，因為需要這些電壓軌為多種ASIC、DSP、PLD、FPGA和微處理器供電。為這些器件供電的POL DC/DC轉(zhuǎn)換器需要有一些至關(guān)重要的特點：緊湊；高效率；啟動和停機時，這些電壓沒有一個能通過電源的同步整流器放電；能給預(yù)偏置負(fù)載供電。此外，電壓斜坡上升和斜坡下降需要受到控制，以確保接受供電的器件不閉鎖或吸收過大的電流。凌力爾特公司提供一個DC/DC控制器、單調(diào)開關(guān)穩(wěn)壓器和微型模塊(uModule)DC/DC轉(zhuǎn)換器系列，這些器件非常容易設(shè)定為跟蹤任何數(shù)量的電壓軌，而且其中大多數(shù)在加電和斷電時不會使預(yù)偏置負(fù)載放電。LTC3853是三輸出同步降壓型DC/DC控制器，可非常容易地配置為任何數(shù)量的電壓軌排序或跟蹤任何數(shù)量的電壓軌，而且在2 + 1型配置中，允許兩個輸出并聯(lián)，以滿足大電流應(yīng)用需求。