降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)對大電流輸出挑戰(zhàn)

　　很多排列密集和復(fù)雜的電路板設(shè)計(jì)(例如：采用多個(gè)ASIC的嵌入式系統(tǒng)或雙核單板計(jì)算機(jī))都采用隔離磚式轉(zhuǎn)換器，將48V配電(背板)電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3V系統(tǒng)總線電壓。這樣做有幾個(gè)原因：僅用3.3V總線，若選擇合適的DC/DC負(fù)載點(diǎn)(POL)轉(zhuǎn)換器，將3.3V電壓轉(zhuǎn)換為較低的電壓軌(2.5V、1.2V、1.0V、0.9V)給DDR存儲器、FPGA內(nèi)核或收發(fā)器等供電，可以改善電路板(所有電路)的功耗;僅用一種總線電壓(3.3V)運(yùn)行以簡化電路設(shè)計(jì)，因?yàn)闊o需5V或12V內(nèi)務(wù)處理電源，這種電源常常用來偏置較大功率的DC/DC POL穩(wěn)壓器;將48V和24V電壓轉(zhuǎn)換至3.3V時(shí)，隔離磚式轉(zhuǎn)換器已經(jīng)提高了工作效率，而且輸出功率水平也越來越高。

　　當(dāng)3.3V總線下游的負(fù)載需要超過5A而達(dá)到12A的電流時(shí)，挑戰(zhàn)便出現(xiàn)了。盡管這種需求似乎很少，但是FPGA、處理器和ASIC技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步已經(jīng)使設(shè)計(jì)人員能在更小的電路板中使用更多這類器件來提高性能，而且越來越多的應(yīng)用有了10A的負(fù)載要求。

　　最近有一個(gè)客戶要求，用3.3V輸入總線給1V電源軌供電，由該電源軌提供30A電流。但是，傳統(tǒng)的帶N溝道MOSFET的低輸入電壓大功率開關(guān)模式DC/DC轉(zhuǎn)換器依靠二次穩(wěn)壓器(內(nèi)務(wù)處理)電路來提供高于總線的VIN電壓，用于MOSFET柵極驅(qū)動。這增大了布局的復(fù)雜性、尺寸和成本。當(dāng)沒有5V電壓可用時(shí)，用3.3V輸入總線給負(fù)載提供大電流的效率非常地低。由此引起的過大功耗會提高穩(wěn)壓器和周圍組件的結(jié)溫。其結(jié)果只有一個(gè)，就是減弱系統(tǒng)在壽命期內(nèi)的可靠性。

　　解救辦法

　　LTM4611是一款扁平的微型模塊(μModule)降壓型開關(guān)模式DC/DC轉(zhuǎn)換器，它采用緊湊的15mm×15mm×4.32mm LGA表貼封裝。開關(guān)控制器、MOSFET、電感器和支持的元器件集成在封裝內(nèi)，因而設(shè)計(jì)可簡化為僅選用少量的外部元器件。LTM4611在1.5V至5.5V(最大絕對值為6V)的輸入電壓范圍內(nèi)工作，從而適用于各種電源架構(gòu)，尤其是數(shù)據(jù)存儲和RAID(獨(dú)立磁盤冗余陣列)系統(tǒng)、ATCA(先進(jìn)電信計(jì)算架構(gòu))和網(wǎng)絡(luò)卡應(yīng)用的電源。在這類電源架構(gòu)中，一個(gè)或多個(gè)常見的總線電壓是5V、3.3V、2.8V和/或2.5V.

　　由于配電損耗(電壓降)和相對較高的總線電流相關(guān)，總線電壓低于2.5V的情況并不常見。盡管如此，在那些在短暫或持續(xù)的電氣事件引起輸入總線電壓下降時(shí)，負(fù)載電壓又恰好需要精確調(diào)節(jié)的應(yīng)用中，LTM4611可依靠1.5V輸入為其負(fù)載提供滿功率的能力卻仍然特別有利。系統(tǒng)總線上的瞬態(tài)事件一般會因電機(jī)、換能器、除纖顫器的運(yùn)作或微控制器工作速率的提升而出現(xiàn)。系統(tǒng)分布式總線上的故障事件有可能使總線電壓下降，但仍然高于1.5V.由于LTM4611在輸入低至1.5V的情況下仍可提供滿功率，因而可考慮將其用于任務(wù)關(guān)鍵型的醫(yī)療和工業(yè)儀器(這些儀器對正常運(yùn)行時(shí)間及總線電壓下降的穿越能力具有最高標(biāo)準(zhǔn))。甚至在電源瀕臨崩潰(例如那些由公用事業(yè)智能電表負(fù)責(zé)監(jiān)測的系統(tǒng)電源突然意外缺失)的過程中，LTM4611亦能為負(fù)載提供精確調(diào)節(jié)的電源。這種情況下非常希望有后備電池或超級電容器提供衰減電壓，盡可能長時(shí)間地供電。

　　LTM4611能在低至1.5V電壓下工作的另一個(gè)優(yōu)勢是，隨著今天電源系統(tǒng)中電壓軌數(shù)量增多，印刷電路板(PCB)中銅層數(shù)目也在增多，從而有效地向負(fù)載發(fā)送(分配)功率?？紤]一個(gè)假設(shè)的例子：如果不增加PCB中的銅層數(shù)目，那么將很難將分布式3.3V總線電壓發(fā)送給3.3V至1.5V和3.3V至1.2V DC/DC轉(zhuǎn)換器。現(xiàn)在可采用另一種方式：用一個(gè)LTM4611將3.3V總線電壓轉(zhuǎn)換為分布式1.5V銅層電壓，再采用另一個(gè)LTM4611將該1.5V銅層電壓高效地轉(zhuǎn)換為POL的1.2V電壓。結(jié)果主板上總體解決方案的尺寸相當(dāng)具有吸引力，同時(shí)還無需將3.3V總線電壓發(fā)送到PCB的所有部分。在PCB制造過程中能盡量減少銅層數(shù)目則有望節(jié)省成本和材料，并有利于PCB的批量生產(chǎn)和可靠性的提高。

　　自發(fā)生偏置電源

　　LTM4611無需采用輔助偏置電源為其內(nèi)部控制IC或MOSFET驅(qū)動電路供電，它可依靠輸入電源產(chǎn)生其自己的低偏置電源。該內(nèi)部偏置電源使得LTM4611能夠采用低至1.5V的輸入電壓工作，從而可在所有線路電壓條件下給其功率MOSFET提供強(qiáng)大的柵極驅(qū)動信號，同時(shí)，也使其在使用5V、3.3V或更低總線電壓的系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)高效率。LTM4611背后是一種降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，該拓?fù)湄?fù)責(zé)對其輸入電壓進(jìn)行降壓，以向其輸出端提供低至0.8V的電壓和高達(dá)15A的連續(xù)電流。通過正確選擇輸入電源(取決于電源的動態(tài)特性和瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng))和局部旁路電容，可在15A負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)一個(gè)低于0.3V的輸入至輸出電壓降。LTM4611采用一種固定頻率峰值電流模式控制降壓轉(zhuǎn)換器方案，默認(rèn)的工作頻率為500kHz.也可選用電阻器引腳搭接LTM4611的PLLFLTR/Fset引腳的方法，將開關(guān)頻率調(diào)整至介于330kHz和780kHz之間，或者通過其MODE_PLLIN引腳將開關(guān)頻率同步到360kHz至710kHz的時(shí)鐘信號。

　　多個(gè)電源均流以提供大輸出電流

　　LTM4611支持4個(gè)模塊的均流，以實(shí)現(xiàn)輸出電流高達(dá)60A的解決方案。甚至可并聯(lián)更多的模塊以提供更高的輸出電流。電流模式控制使得模塊的均流格外可靠和易于實(shí)現(xiàn)，并可確保啟動、瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)操作情況下模塊之間的均流。

　　與此不同，許多電壓模式模塊則是通過采用主從配置或"壓降均分"(也被稱為"負(fù)載線路均分")來實(shí)現(xiàn)均流。在啟動和瞬態(tài)負(fù)載條件下，主從配置容易遭受討厭的過流跳變，而壓降均分則會導(dǎo)致負(fù)載調(diào)節(jié)指標(biāo)下降，且在瞬態(tài)負(fù)載階躍期間幾乎無法保證優(yōu)良的模塊至模塊電流匹配。

　　從無負(fù)載到滿負(fù)載時(shí)，LTM4611一般能提供優(yōu)于0.2%的負(fù)載調(diào)節(jié)，而其在-40℃至125℃的整個(gè)內(nèi)部模塊溫度范圍內(nèi)的最大值為0.5%.

　　易于實(shí)現(xiàn)POL應(yīng)用

　　圖1所示方框圖顯示，LTM4611在1.8V至5.5V的輸入范圍內(nèi)工作，以高達(dá)15A的電流提供1.5V輸出。輸出電壓可用VFB和GND之間的單電阻器設(shè)定?？刂骗h(huán)路驅(qū)動功率MOSFET和輸出電壓，以便VFB等于較低的0.8V或TRACK/SS引腳上的電壓。當(dāng)該模塊的RUN引腳超過1.22V(±10%)時(shí)，TRACK/SS引腳上的軟啟動電容器CSS設(shè)定LTM4611輸出的啟動速率。CSS用于確保單調(diào)的輸出電壓波形啟動，和支持平滑上電進(jìn)入預(yù)偏置輸出電壓狀態(tài)。另一個(gè)電源軌的電阻分壓器可以加到TRACK/SS引腳，以設(shè)定LTM4611輸出軌對基準(zhǔn)電源軌一致或成比例的跟蹤。當(dāng)為那些在系統(tǒng)上電及斷電期間具有嚴(yán)格的電源軌跟蹤要求的數(shù)字設(shè)備供電時(shí)，這項(xiàng)特性非常便利。

　　圖1 LTM4611的簡化方框圖和典型應(yīng)用。

　　遠(yuǎn)程采樣實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的POL調(diào)節(jié)

　　常規(guī)上，大電流低電壓FPGA、ASIC和微處理器都要求在POL終端(通常是Vdd和Dgnd引腳)上提供精確調(diào)節(jié)到標(biāo)稱VOUT ±3%(或更好)的極其準(zhǔn)確的電壓。在輸出電壓低于3.7V時(shí)，這是最難做到的。為了滿足這種調(diào)節(jié)要求，LTM4611提供了一個(gè)單位增益緩沖器，以對負(fù)載終端處的輸出電壓進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測。

　　PCB中VOUT和GND銅層之間的壓降不可避免，這是由物理上存在于模塊和負(fù)載之間的電阻性分配損耗所造成的。如圖1所示，POL兩端(VOSNS+減去VOSNS-)的差分反饋信號在DIFF_VOUT端相對于該模塊的局部地SGND被重構(gòu)，從而使控制環(huán)路能夠補(bǔ)償在模塊輸出引腳與POL器件之間的供電通路中產(chǎn)生的任何壓降。

　　LTM4611包括一個(gè)輸出電壓"電源良好"(PGOOD)指示引腳，當(dāng)輸出電壓在VOUT標(biāo)稱值的±7.5%以內(nèi)時(shí)，該引腳提供一個(gè)邏輯高電平開漏信號;否則，PGOOD被拉至邏輯低電平。LTM4611提供折返電流限制，以保護(hù)自身和上游電源免受其輸出端故障的影響。LTM4611還包括一種輸出過壓保護(hù)功能：當(dāng)輸出電壓超過標(biāo)稱值的107.5%時(shí)，內(nèi)部低壓端MOSFET導(dǎo)通，直到過壓情況清除為止。

　　你的系統(tǒng)有多環(huán)保?

　　DC/DC電源的轉(zhuǎn)換效率和熱管理在今日與往時(shí)同樣重要。LTM4611采用耐熱增強(qiáng)型LGA(焊盤網(wǎng)格陣列)封裝，以小焊盤布局(僅15mm×15mm)和小物理體積(僅4.32mm高，占用1cm3的空間)提供了極具吸引力的高效率。圖2顯示了LTM4611在各種輸入和輸出電壓組合情況下的效率。除了高效率之外，在給定的輸入電壓和輸出負(fù)載條件下，LTM4611的功耗曲線相對平坦。這使LTM4611的熱設(shè)計(jì)和在后續(xù)產(chǎn)品中的重復(fù)使用變得簡單易行，即使在電源軌電壓由于IC芯片不斷縮小而日益下降的情況下也不例外。

　　圖2:在不同的輸入和輸出電壓情況下，LTM4611的效率隨負(fù)載電流的變化。

　　就越來越多的應(yīng)用而言，降低輕載時(shí)的功耗與降低重載時(shí)的