高電流功率轉換解決方案

在電壓不斷降低的情況下增加輸出電流 這個日益高漲的要求將繼續對電源開發起到推動作用。該領域的進步大多歸功于功率轉換技術所取得的成果,尤其是電源ic和功率半導體組件方面的改進。一般來說,這些組件是通過在盡可能不影響功率轉換效率的情況下提高開關頻率來改善電源性能。這可以通過在降低開關和通態損耗的同時提供高效散熱來實現。然而,輸出電壓的日益降低對這些做法施加了更大的壓力,進而引發了嚴重的設計難題。

多相拓撲結構

對于由兩個或更多的轉換器來對單個輸入進行處理的拓撲結構（此時,各轉換器同時運行,但處于不同的鎖定相位）而言,多相被認為是一個通用術語。這種方法可降低輸入紋波電流、輸出紋波電壓并減少總rfi特征,同時實現了高電流單輸出或多個較低電流輸出以及完全穩定的輸出電壓。它還允許采用較小的外部組件,對于單片式器件而言,這將提升輸出電流能力,因為多個較小的mosfet能夠很容易地制作在“芯片之上”。另外,這還兼有改善熱管理的好處。

凌特公司（ltc）把多相、單輸出電路命名為polyphase ,而將多輸出、單輸入電源視作普通的多相。多相拓撲結構可被配置成降壓型、升壓型、甚至正激式,不過一般來說降壓是更加常見的應用。ltc既制造單片式解決方案（所有的功率半導體組件均被集成于器件之中）,也制造控制器解決方案。控制器解決方案通常用于功率較高的場合（一般高于15~20w）,并需要采用外部分立式mosfet。

因此,polyphase操作在需要產生一個高電流輸出的場合使用（例如：作為“磚”型dc-dc轉換器的替代者）,而多相操作則在需要多個具有不同電壓值的輸出的場合使用（比如：用作小型系統中的fpga或處理器電源的2.x v和1.x v電壓）。

ltc3708和ltc3709系列顯示了上述的重要差異,見圖1和圖2。

如圖1和圖2所示,輸入濾波器要求是非常相似的;兩款電路的輸入紋波電流均有所下降,這是因為采用了多相拓撲結構所致。然而,只有ltc3709（在右側）的輸出濾波器尺寸由于輸出紋波電流的求和作用而得以減小。

polyphase降壓應用

電源設計所面臨的最大挑戰之一是在高負載電流條件下實現高降壓比。此外,維持高轉換效率、符合嚴格的瞬態響應條件以及最大限度地縮小板級空間也都是必需滿足的要求。典型應用需要所有這些性能水平,這包括微處理器、dsp和fpga電源。

對于中等功率系統,兩相、同步降壓型開關控制器（例如：ltc3708/9）采用一種帶鎖相環（pll）的恒定接通時間架構以及谷值電流控制架構,旨在提供卓越的瞬態響應和非常低的占空比。它們不需要使用一個輸出電流檢測電阻器,原因是這些器件采用了一種無檢測電阻器（no rsensetm）功能來監視電源開關兩端的電壓,以確定安全的工作電流。

在較高的功率電平條件下,可擴縮型多相控制器（例如：ltc1629/3729）采用輸入和輸出紋波電流抵消（通過對多個并聯功率級的時鐘信號進行交錯處理來實現）來縮減電容器和電感器的尺寸和成本。通過把pwm電流模式控制器、真正的遠端采樣、可選的定相控制、固有的電流均分能力、高電流mosfet驅動器以及各種保護功能（比如：過壓保護、任選的過流鎖斷和折返電流限制）集成在單個集成電路之中,polyphase轉換器有助于最大限度地減少外部組件數目和簡化整個電源設計。由此實現的制造簡單性有益于改善電源的可靠性。人們最終獲得的將是一款通用的可擴縮型系統,該系統最多可擴展至12相,以提供高達200a的大電流輸出。

逐級遞減（stage sheddingtm）操作

在高電流系統中,功耗以及由之產生的熱量是很重要的問題,因此,電源的效率必須盡可能地高。在polyphase架構中,兩個或更多的通道異相運作,從而最大限度地減小了輸入rms電流以及輸入電源路徑中的功耗。通過利用底端mosfet來檢測電流,就不會產生由檢測電阻器所引起的額外功耗（no rsense）,而且,功能強大的板載同步mosfet驅動器可有效地抑制開關損耗。然而,在輕負載條件下,polyphase系統中的開關損耗仍將成為主要的功耗,而對許多用戶來說這可能是一個問題。例如,在一個未插滿板卡的機架系統中便是如此。

ltc3731采用了逐級遞減（stage sheddingtm）操作,該操作模式可在輕負載條件下提升效率,見圖3。在逐級遞減模式中,第二相在輕負載時被關斷,從而使輕載開關損耗減半。如果負載進一步降低,則不允許電感器電流發生反向,開關頻率最低可降至維持調節狀態所需的水平,同時保持了很高的效率。

瞬態響應

當今的電源設計常常同時需要高降壓比和快速動態響應。通過增加輸出紋波頻率(因而最大限度地減小了輸出電感器和濾波器的數值),polyphase轉換器能夠實現絕佳的瞬態響應。此外,高速工藝還可實現控制器動態范圍的擴展。例如：傳統的恒定頻率控制器的最小接通時間為幾百納秒(ns),而ltc3709則實現了85ns(典型值)的最小ton,以獲得出色的動態響應特性。同樣,ltc3708獨特的無時鐘延遲操作方式也可實現非常快速的負載瞬態響應、允許采用極少的輸出電容器、并縮減了解決方案的成本和板級空間。

低功率polyphase升壓應用

諸如ltc3425等單片式polyphase升壓型轉換器能夠提供超過12w的輸出功率,而且,與相似的單相升壓型轉換器相比,其外形尺寸更小、效率更高、更加扁平、輸出紋波也更低。這些器件適合各種輸入電壓應用,從1~4.5v不等。輸出電壓范圍為2.4~5.25v,峰值電流能力為5a。
高頻（每相高達2mhz）四相架構（就像ltc3425所采用的那樣）允許使用若干個小巧、低成本的電感器（而不是一個龐大笨重的電感器）,而且所需的輸出濾波器電容比等效的單相電路小得多,這是由于有效輸出紋波頻率高達8mhz所致。此外,所有需要的功率mosfet均被制作在芯片上。對于空間受限的電路板、負載點穩壓器以及要求采用扁平組件的便攜式設備來說,這是很理想的選擇。

易用性

設計多相轉換器與設計傳統的單相升壓型轉換器并沒有什么不同。所有的電源開關都是內置的,因此四相操作是透明的。所有4個相位的電流限值和開關頻率均由一個電阻器來設置,這與單相設計是相同的。輸出電壓的設定以及環路的補償與其他的常見設計也并無差別。ltc還在其網站上提供了免費下載的綜合性cad和spice工具,用于為更加復雜的仿真提供幫助。

ltc3425的同步四相架構在很寬的負載范圍內實現了高效率,并允許采用扁平組件,見圖4。3/4的輸出紋波電流降幅令其能夠采用小型、成本較低的陶瓷電容器來實現非常低的輸出電壓紋波。對于那些對噪聲敏感的應用,用戶能夠在自動或手動突發模式操作之間以及脈沖跳躍模式或強制連續導通模式之間進行選擇。所有這些功能以及輸出斷接、軟起動、1 a停機電流、抗振鈴控制、熱停機、一個緩沖基準輸出和一個電源良好輸出均被集成在一個小外形（5mm x 5mm）的耐熱增強型qfn封裝。
許多便攜式應用對組件的高度都有嚴格的限制。對于功率轉換器來說,這將會是一個難題,因為在那些高度最大的組件當中,往往都包括電感器和濾波電容器。四相架構是這些應用的理想選擇,即使在組件高度僅1.55mm、占板面積為3.2mm 2.5mm的情況下也不例外。一個完整的5w功率轉換器可以安裝在20mm 16mm的空間之內。

圖5給出了一款采用ltc3425來實現從兩節鎳鎘電池或鎳氫電池至3.3v升壓的典型應用電路。該設計能夠在每相1mhz的開關頻率條件下以高達94%的效率來提供2a以上的負載電流（4mhz輸出紋波頻率）。最大組件高度僅2.05mm,并在一個非常寬的負載范圍內保持了高效率。
該實例的一個重要的特點是可編程自動突發模式操作,它使得用戶能夠設定轉換器進入突發模式操作的負載電流,從而提升了輕負載條件下的效率。對于不能夠由主機來對操作模式進行手動控制的系統而言,這是很理想的。由于突發模式電路監視的是平均輸出電流（而不是峰值電感器電流）,因此模式門限將不受輸入電壓波動的影響。在本例中,由r4將突發模式門限設定為100ma。當平均負載電流降至100ma以下時,器件將進入突發模式操作,當負載電流再次增加時,器件將退出突發模式操作并返回固定頻率操作。電容器c3用于濾除burst引腳上的開關紋波。

在本例中,由于vout引腳上體電容的原因,故只需要一個補償電容器。由rff和cff所組成的前饋網絡用于在突發模式操作中減小輸出紋波,并在負載階躍期間進一步改善瞬態響應。它還降低了fb引腳上的高頻阻抗,從而允許采用大阻值的反饋電阻器,以實現輕負載效率的最大化。
對于那些對成本敏感的應用或者希望通過降低最大電流能力來減小電路板面積的場合,只需去掉其中的一個或兩個電感器便可把ltc3425用作一個兩相或三相轉換器。

電源跟蹤

當今電子系統復雜的電源電壓跟蹤和排序要求是設計師必須考慮的另一個因素。如果未對這些要求給予足夠的重視,就會導致器件立即遭到破壞,或者在實際使用中過早地發生故障。

電壓跟蹤要求通常規定兩個電源之間的電壓差一定不得超過某一確定的限值。該約束條件始終適用,在上電、斷電和穩態操作期間都是如此。電源排序要求則與之不同,它指定的是電源上電和斷電的順序。

不良電源跟蹤或排序的惡劣后果常常是性能的不可預測性,甚至會對系統中的器件造成無法修復的損壞。fpga、pld、dsp和微處理器一般都在內核與i/o電源之間布設了二極管,作為內部esd保護組件。如果電源違反了跟蹤要求并對保護二極管施加了正向偏壓,則器件有可能受損或無法正確執行上電操作。

在其他場合,當i/o電源先于內核電源上電時,內核中的未定義邏輯狀態會在i/o電路中引發過大的電流。即使在系統的各個組件并不要求電源跟蹤或排序的情況下,整個系統仍然有可能要求進行電源排序,旨在實現正確的運作。

針對電源跟蹤和排序的一種簡單而通用的解決方案（沒有因采用串聯mosfet所產生的缺點）可采用ltc2923來實現。通過選擇少量的電阻器,即可對電源進行配置,以使之按照多種電壓模式來斜坡上升或下降。
許多電壓跟蹤解決方案都采用了串聯mosfet,這會導致產生固有壓降、額外的功耗并占用更大的pc板級空間。而ltc2923是通過把電流注入其反饋節點來控制電源的,從而避免了串聯mosfet解決方案所固有的調整組件損耗。電源穩壓性和瞬態響應不會受到影響,這是因為注入電流在使輸出電壓產生偏移的時候并未改變電源控制環路的動態特性。ltc的許多dc/dc轉換器如ltc3736、ltc3828以及諸如ltc3415、ltc3416等單片式降壓型轉換器都具有電源跟蹤功能。

電壓裕度調節

高性能和高可靠性系統通常都要求進行最終檢驗或自動化自測試,以在其調節范圍的上限和下限處確保額定性能和供電電壓。這種測試常常被稱作“電源裕度調節”或“電壓裕度調節”,一般是通過強制系統中的電源模塊或dc/dc轉換器至其標稱電壓的 5%來完成的。一旦供電電壓穩定于經過裕度調節的電壓,即可對系統性能進行評估。

能夠簡化電源裕度測試并特別適合多電源應用的器件目前已經面市。ltc2920系列單信道和雙信道電源裕度調節控制器提供了一種旨在實現板上電源裕度調節功能以及極短的設計時間和極小的板級空間的簡易而準確的方法。越來越多的ltc產品開始擁有裕度調節功能,比如：ltc3720和ltc3415。

低電壓復位

在低輸入電源電壓條件下確立復位節點上的正確邏輯狀態是困擾著許多電源監控ic的一個問題。在上電之前,外部漏電流往往將把復位節點的電壓驅動至微處理器輸入的邏輯門限以上,這會阻止正確的起動操作,甚至引發潛在的系統可靠性問題。 當電源電壓處于其監控門限以下時,復位節點上的期望狀態為邏輯低電平。通常,一個漏極開路nmos晶體管將被用來拉低復位節點電壓。在低輸入電壓條件下（一般低于1v）,nmos晶體管缺少用于克服上拉電流源的足夠跨導,而且,復位節點有可能浮動至一個邏輯高電平。

克服復位節點電壓浮動的一種常用方法是集成一個有源pmos晶體管上拉電路,并指定一個負責在低輸入電壓條件下拉低復位節點電壓的外部接地電阻器。不過,這種方法有幾個缺點,除非有一個專供內部pmos電源用的額外電源引腳,否則用戶將無法控制上拉電壓（因為它是采用硬連線布設于器件內部的）,而且,在外部電阻器克服pmos晶體管的上拉力之前,它就會遭遇其阻值的下限。另外,由于外部電阻器將不斷地消耗功率,因此低功率系統將在復位節點為邏輯高電平的條件下受損。

四通道電源監視器(如ltc2903)通過消除誤復位并維持非常高的準確度而令系統可靠性得到了極大的改善。一個專有電路在低輸入電壓條件下建立了一條從復位節點至地的低阻抗路徑。該低阻抗路徑拉低了復位節點電壓,并且即使在所有的輸入電壓源均為0v的情況下往往也將傳導電流。對于低至0.5v的v1、v2或v3,復位輸出保證吸收至少5 a的電流(vol = 0.15v)。

結論

在電流日益升高的情況下降低供電電壓的發展趨勢（導致需要設計有效的“負載點”解決方案）是一個越來越常見的問題。通過逐步過渡到采用各種多相和多相拓撲結構,設計師將能夠有效地縮減占用空間、簡化布局、提升效率、降低電容器紋波電流、改善可靠性并節省成本。