面向多軌預(yù)偏置負(fù)載應(yīng)用的靈活排序

背景
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(guò)背板發(fā)送到系統(tǒng)內(nèi)每個(gè) 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(guò)一個(gè)隔離式中間總線轉(zhuǎn)換器 (IBC) 降至一個(gè)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 mA 至數(shù)十 A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(diǎn) (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(hào)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(dòng)和停機(jī)時(shí)，這些電源必須排序。設(shè)計(jì)師必須考慮加電和斷電時(shí)內(nèi)核及 I/O 電壓的相對(duì)大小及電壓的時(shí)序，以符合制造商的性能規(guī)范。如果沒(méi)有正確的電源排序，就會(huì)發(fā)生閉鎖或過(guò)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(chǔ)器、可編程邏輯器件 ─ PLD、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 ─ FPGA、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 … 等等) 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(dòng) 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(gè)輸入電壓軌需要排序的專用集成電路 (ASIC) 是很普遍。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(shí)，其中一個(gè)軌沒(méi)有上升到滿電壓，那么加電過(guò)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(wú)法給預(yù)偏置負(fù)載供電，那么加電或斷電時(shí)，這些內(nèi)部二極管可能會(huì)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(gè)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(kāi)始轉(zhuǎn)變的電壓。提到可以預(yù)偏置的 IC，ASIC 是一個(gè)很好的例子。一般情況下，ASIC 會(huì)需要多個(gè)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(huì)有一個(gè)二極管，通過(guò)不允許電壓高于二極管兩端的壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部保護(hù)。加電或斷電時(shí)，可能存在一種情況 ── ASIC 內(nèi)兩個(gè)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(guò)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(shí)發(fā)生。采用一個(gè)在接通或斷開(kāi)時(shí)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(gè)問(wèn)題，這種方法要求 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在加電或斷電時(shí)以突發(fā)模式 (Burst Mode®) 或斷續(xù)傳導(dǎo)模式工作。

解決老問(wèn)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制器，具一致或比例制跟蹤能力。通過(guò)準(zhǔn)確的運(yùn)行門限和兩個(gè)電源良好輸出，電源排序非常容易實(shí)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(qiáng)大的內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)器給所有 N 溝道 MOSFET 級(jí)供電，而且在一個(gè)通道的輸出電壓范圍為 0.8V 至 13.5V、另兩個(gè)通道的輸出電壓范圍為 0.8V 至 5.5V 時(shí)，每相可產(chǎn)生超過(guò) 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(gè)單獨(dú)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(lái)使兩個(gè)輸出并聯(lián)，通道 3 則是一個(gè)獨(dú)立的輸出。通過(guò)使 3 個(gè)輸出級(jí)以 120° 相差運(yùn)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(shí)，通道 1 和通道 2 相位相差 180°，以在有一個(gè)大電流輸出和一個(gè)小電流輸出時(shí)，保持輸入電流得到最佳平衡。

以 2 + 1 模式運(yùn)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(gè) 3.3V 輸出。這種 2 + 1 型配置僅需要一個(gè) RUN 引腳 (RUN1) 來(lái)啟動(dòng)通道 1 和通道 2。通道 2 的反饋誤差放大器被禁止，兩個(gè)通道共用通道 1 的反饋分壓器。電流檢測(cè)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(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行了說(shuō)明，其中顯示了 ±25% 負(fù)載階躍時(shí)每個(gè)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：LTC3853 的高效率 1.2V/30A、3.3V/5A 雙輸出原理圖