針對負(fù)載點(diǎn)消費(fèi)類電子設(shè)備的電源管理解決方案

技術(shù)進(jìn)步

　　由于更高的集成度、更快的處理器運(yùn)行速度以及更低的價(jià)格目標(biāo)，針對數(shù)字電視、線纜調(diào)制解調(diào)器以及機(jī)頂盒的負(fù)載點(diǎn)(POL)處理器電源設(shè)計(jì)變得越來越具挑戰(zhàn)性。多年來，隨著集成度的提高和工藝技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)計(jì)旨在用于消費(fèi)類電子應(yīng)用的數(shù)字處理器和模擬ASIC受益匪淺?，F(xiàn)在，工藝技術(shù)的進(jìn)步也可用于現(xiàn)成的負(fù)載點(diǎn)電源管理電路。本文將討論一些電源管理設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)，如：選擇最佳的輸出電容、解決排序問題以及最少化部件數(shù)量等問題。為了解決這些問題，通過利用可保持系統(tǒng)低成本的電源管理器件工藝技術(shù)的進(jìn)步，TI開發(fā)出了一款新型雙通道、降壓DC／DC轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)在只需要電源設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)就可以設(shè)計(jì)出一款高性能電源，從而使設(shè)計(jì)師將主要精力放在其他重要方而，以使其消費(fèi)類電子產(chǎn)品更成功、成本更低而且功能更強(qiáng)大。

負(fù)載點(diǎn)消費(fèi)類應(yīng)用的典型電源架構(gòu)

　　非便攜式消費(fèi)類電子設(shè)備都是由不同類型的AC／DC電源供電的。例如：線纜調(diào)制解調(diào)器是由一個(gè)簡單的墻上適配器供電的，而液晶電視則在其機(jī)殼中集成了一個(gè)具有功率因數(shù)校正(PFC)功能的、可提供數(shù)百瓦功率的比較復(fù)雜的電源。在上述每個(gè)AC／DC電源中，根據(jù)具有較大負(fù)載電流的系統(tǒng)所需要的最高DC電壓，AC電源可轉(zhuǎn)換為常見的DC電壓，如：5V、12V或24V。其負(fù)載可以是線驅(qū)動(dòng)器、冷陰極燈管(CCFL)背光逆變器或凋諧器模塊。

雙通道輸出電源解決方案

　　對于消費(fèi)類應(yīng)用而言，將兩個(gè)電源集成到一個(gè)芯片上，并采用低引腳數(shù)量的小型封裝具有諸多好處。大多數(shù)消費(fèi)類應(yīng)用都需要多個(gè)低電壓軌來為邏輯電路供電。在這些應(yīng)用中，雙通道轉(zhuǎn)換器可以將單個(gè)控制器和兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的MOSFET組合在一個(gè)緊湊型器件中。許多ASIC和處理器都需要內(nèi)核電壓和I／O電壓，這可能存在排序要求。一款雙通道輸出DC／DC轉(zhuǎn)換器可以將電路集成，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓排序要求的輕松實(shí)施。減少DC／DC轉(zhuǎn)換器的數(shù)量可以從多方面節(jié)約成本，例如：由于在電路板上焊接組件數(shù)量的減少，從而加速了產(chǎn)品上市進(jìn)程，簡化了設(shè)計(jì)、降低了采購限制并提高了可靠性。

　　要使雙通道、高電流DC／DC轉(zhuǎn)換器成為現(xiàn)實(shí)的技術(shù)需要考慮諸多設(shè)計(jì)因素。由于在一個(gè)封裝中包含了兩個(gè)轉(zhuǎn)換器，所以要保持器件的低功耗就是一個(gè)很人的挑戰(zhàn)。如欲實(shí)現(xiàn)較小的電路面積，低阻抗MOSFET的集成至關(guān)重要，但同時(shí)還要滿足轉(zhuǎn)換器封裝的散熱要求。不幸的是，降低電源MOSFET的導(dǎo)通電阻就意味著增大硅裸片的面積，此舉會(huì)增加芯片的尺寸和成本。DC／DC轉(zhuǎn)換器廠商經(jīng)常面臨著這樣進(jìn)退兩難的僵局：要么縮小MOSFET的尺寸以滿足芯片小型封裝的要求，要么增大MOSFET的尺寸以降低功耗并提高效率。借助一流的工藝技術(shù)，TPS54386在尺寸與效率之間實(shí)現(xiàn)了平衡——小型14引腳HTSSOP封裝中每個(gè)MOSFET的導(dǎo)通電阻為85mΩ。對于消費(fèi)類電子設(shè)計(jì)師來說，將同類競爭產(chǎn)品寬輸入電壓范圍的DC／DC轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通電阻進(jìn)行比較，并對其效率進(jìn)行測量以確保獲得最佳值是個(gè)不錯(cuò)的想法。圖1顯示了一款用于雙通通道輸出DC／DC轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用電路，該轉(zhuǎn)換器具有集成的高壓側(cè)MOSFET。

　　雖然使用雙通道轉(zhuǎn)換器有諸多好處，但相似的單通道DC／DC轉(zhuǎn)換器通常也有很廣的市場前景。當(dāng)兩個(gè)低壓輸出的目標(biāo)負(fù)載之間相隔很火的距離時(shí)，使用兩個(gè)單通道控制器要比使用一個(gè)雙通道轉(zhuǎn)換器好的多。在高電流的情況下，PWB線跡的電阻會(huì)降低負(fù)載的輸出電壓。這樣就會(huì)影響電源的穩(wěn)壓精度和功耗。在完成電路布局之前，對電路板做一個(gè)精心的規(guī)劃有助于確定是采用一個(gè)雙通道轉(zhuǎn)換器，還是采用兩個(gè)單通道轉(zhuǎn)換器更好些。

排序

　　越來越多的處理器廠商開始針對內(nèi)核與I／O上電時(shí)序提供建議的時(shí)序指南。除了可以滿足內(nèi)核與I／O上電時(shí)序要求以外，對電源進(jìn)行排序還有助于降低啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。當(dāng)多個(gè)電源軌同時(shí)啟動(dòng)時(shí)，對主電源就提出了更高的要求。如果在大電流充電(charging bulk)時(shí)伴隨著電流消耗(current draw)，且旁路電容非常大，那么主電源可能會(huì)跳變至電流限制設(shè)置值，從而導(dǎo)致其關(guān)斷。交錯(cuò)電壓軌有助于最少化與浪涌電流有關(guān)的問題。為了解決這些問題，圖1所示的雙通道轉(zhuǎn)換器提供了單獨(dú)開啟的引腳，以適應(yīng)具體的啟動(dòng)順序。在向電源輸入引腳施加電壓以后，可能會(huì)使用一個(gè)與啟動(dòng)引腳相連的R-C電路來延遲相關(guān)輸出的開啟。此外，排序引腳還允許用戶選擇順序排序或比例排序。對于比例排序而言，每個(gè)輸出端都會(huì)在進(jìn)入穩(wěn)壓的同時(shí)，以最終輸出電壓決定的比例斜坡上升(見圖2)。而對于順序排序而言，當(dāng)一個(gè)輸山端實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓以后，另一個(gè)輸出端才開始啟動(dòng)。通過SEQ引腳，用戶可以對其中的任何一個(gè)輸出端進(jìn)行編程，以使輸出端先完成斜坡上升。如果需要的話，開啟引腳可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)轉(zhuǎn)換。

縮小外部組件尺寸并減少其數(shù)量

　　近年來，將兩個(gè)輸出電壓轉(zhuǎn)換為異相的技術(shù)得到廣泛青睞。實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立電壓穩(wěn)壓器在一個(gè)系統(tǒng)中的運(yùn)行可以共享一個(gè)輸入電容，并以單個(gè)轉(zhuǎn)換器頻率2倍的比例吸收(draw)紋波電流。當(dāng)以180°的相位差運(yùn)行這兩個(gè)電壓穩(wěn)壓器時(shí)，總RMS輸入電流被降低了，從而減少了所需輸入電容的數(shù)量。在此情況下，振蕩器頻率也實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部穩(wěn)定(該頻率是轉(zhuǎn)換頻率的2倍)。這兩個(gè)輸出端在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了交互轉(zhuǎn)換周期運(yùn)行(即以180°的相位差運(yùn)行)。該技術(shù)減少了大體積電容的數(shù)量，因此降低了系統(tǒng)成本。此外，通過消除兩個(gè)轉(zhuǎn)換器之間的拍頻(beatfrequency)，同步技術(shù)還減少了EMI。

　　DC／DC轉(zhuǎn)換器可以用來實(shí)施反饋網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)部或外部補(bǔ)償。外部補(bǔ)償提供了選擇各種電感與電容組合的靈活性，但是對于那些不擅長模擬設(shè)計(jì)的數(shù)字設(shè)計(jì)師來說，控制環(huán)路補(bǔ)償與穩(wěn)定性判斷標(biāo)準(zhǔn)無疑是非常麻煩的。在此方法中，首先是要選擇LC濾波器，然后再?zèng)Q定補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。內(nèi)部補(bǔ)償不但簡化了設(shè)計(jì)，而且減少了外部組件的數(shù)量，但是設(shè)計(jì)師必須在一定的LC組件范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。因此，必須選擇適當(dāng)?shù)腖C濾波器，以保持穩(wěn)定性。為了降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本，該轉(zhuǎn)換器集成了補(bǔ)償組件。這樣就可以在提供選擇電感和輸出電容值靈活性的同時(shí)，減少組件的總數(shù)量。

　　使用高阻抗鋁電容或低阻抗陶瓷輸出大電容

　　由于成本較低，鋁電解質(zhì)電容在消費(fèi)類電子領(lǐng)域非常受歡迎。鋁電解質(zhì)電容具有相對較高的等效串聯(lián)電阻(ESR)，其阻值隨著溫度的改變會(huì)發(fā)生很大的變化，但是可提供大電容。為了降低總ESR(隨之而來的是降低輸出紋波電壓)，必須將若干個(gè)鋁電解質(zhì)電容并聯(lián)起來，這樣會(huì)占用較多的空間。而相對較小的陶瓷電容則可以和鋁電容并聯(lián)，以降低紋波電壓。無論采用哪種方法，都必須對功率級進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。有了內(nèi)部補(bǔ)償組件的幫助，如果在輸出濾波器中采用了一個(gè)高ESR電容，那么在環(huán)路響應(yīng)中就會(huì)引入一個(gè)零點(diǎn)，這樣會(huì)導(dǎo)致環(huán)路的不穩(wěn)定。通過引入一個(gè)極點(diǎn)(該極點(diǎn)的單個(gè)小型陶瓷電容與較低的分壓電阻并聯(lián))，該零點(diǎn)可以被輕松地去除。

　　最新的陶瓷電容技術(shù)已將電容值大大提高，并降低了成本。低ESR陶瓷電容將被用于較高的轉(zhuǎn)換頻率，并且是鋁電解質(zhì)電容的替代解決方案。在使用具有內(nèi)部補(bǔ)償器件的低ESR陶瓷電容時(shí)，需要在反饋網(wǎng)絡(luò)中添加一個(gè)零點(diǎn)以減小交叉頻率(crossover frcquency)處的增益斜坡，并提供一個(gè)相位升壓?？梢酝ㄟ^將一個(gè)小型電容與上面的分壓電阻井聯(lián)來添加一個(gè)零點(diǎn)。

結(jié)語

　　元器件集成度的提高使數(shù)字設(shè)計(jì)師可以專注于主要工作，而將更多的設(shè)計(jì)任務(wù)留給電源芯片廠商。通過在一個(gè)芯片上集成多個(gè)轉(zhuǎn)換器、集成排序方案并使用低成本濾波器，DC／DC轉(zhuǎn)換器廠商實(shí)現(xiàn)了多種功能的集成，從而降低了成本和復(fù)雜度。