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，以將 48V 配電 (背板) 電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的 3.3V 系統(tǒng)總線電壓。這么做有幾個(gè)原因：
1) 當(dāng)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) 以給例如 DDR 存儲(chǔ)器、FPGA 內(nèi)核或收發(fā)器供電時(shí)，僅用 3.3V 總線電壓就可以改善電路板 (所有電路) 的功耗。
2) 僅用一種總線電壓 (3.3V) 運(yùn)行以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，因?yàn)闊o(wú)需 5V 或 12V 內(nèi)務(wù)處理電源，這種電源常常用來(lái)偏置較大功率的 DC/DC POL 穩(wěn)壓器。
3) 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)提高了轉(zhuǎn)換器的效率，而且是以更高的輸出功率水平。
當(dāng) 3.3V 總線下游的負(fù)載需要超過(guò) 5A 甚至高達(dá) 12A 的電流時(shí)，挑戰(zhàn)就出現(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)師能在更小的電路板中，用更多這類器件來(lái)提高性能，而且越來(lái)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 輸入總線供電時(shí)，從 1V 電源軌提供 30A 電流。然而，傳統(tǒng)的低輸入電壓大功率開關(guān)模式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器有 N 溝道 MOSFET，依靠第二個(gè)穩(wěn)壓器 (內(nèi)務(wù)處理) 電路來(lái)提供高于總線 VIN 的電壓，以用于 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)，這增大了布局復(fù)雜性、尺寸和成本。當(dāng)沒(méi)有 5V 電壓可用時(shí)，從 3.3V 輸入總線給負(fù)載提供大電流的效率是非常低。由此引起過(guò)大的功耗會(huì)提高穩(wěn)壓器以及周圍組件的節(jié)溫，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
LTM®4611 是一款扁平微型模塊 (µModule) 降壓型開關(guān)模式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，采用緊湊的 15mm x 15mm x 4.32mm LGA 表面貼裝封裝。開關(guān)控制器、MOSFET、電感器和支持組件均內(nèi)置于封裝之中，因此設(shè)計(jì)可簡(jiǎn)化為少量外部組件的選擇。LTM4611 在 1.5V 至 5.5V (絕對(duì)最大值為 6V) 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，適用于各種電源架構(gòu)，尤其是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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)用中的電源，在這類電源架構(gòu)中，其中一個(gè)或多個(gè)常見總線電壓是 5V、3.3V、2.8V 和 / 或 2.5V。
由于和相對(duì)較高的總線電流相關(guān)的配電損耗 (電壓降) 的原因，總線電壓低于 2.5V 的情況并不常見，盡管如此，在那些必須精確調(diào)節(jié)負(fù)載電壓 (即使在短暫或持續(xù)的電氣過(guò)程導(dǎo)致輸入總線電壓下降時(shí)也不例外) 的應(yīng)用中，LTM4611 可依靠一個(gè) 1.5V 輸入為其負(fù)載提供滿功率的能力仍然是特別有利的。系統(tǒng)總線上的瞬變過(guò)程一般會(huì)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。LTM4611 依靠低至 1.5V 的輸入提供滿功率的能力使得可考慮將其用于任務(wù)關(guān)鍵型的醫(yī)療和工業(yè)儀器，這些設(shè)備對(duì)正常運(yùn)行時(shí)間及總線電壓下降凌駕能力有最高的標(biāo)準(zhǔn)。甚至在所謂“電源瀕臨崩潰”的過(guò)程中 (例如：那些由公用事業(yè)智能儀表負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)之電源突然意外地缺失)，LTM4611 亦能為其負(fù)載提供精準(zhǔn)調(diào)節(jié)的電源。而在這種情況下，非常希望能夠依靠由后備電池或超級(jí)電容器供電，以從逐漸減低的電壓盡可能長(zhǎng)時(shí)間工作。
LTM4611 能用低至 1.5V 的電壓工作，還帶來(lái)了另一個(gè)優(yōu)勢(shì)：隨著今天電源系統(tǒng)中電壓軌數(shù)量的增多，印刷電路板 (PCB) 中銅層數(shù)目也在增多，以有效地向負(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，那么可能很難將分布式 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�，F(xiàn)在可以采用另一種方式，一個(gè) LTM4611 可以將 3.3V 總線電壓轉(zhuǎn)換為分布式 1.5V 銅層電壓，同時(shí)另一個(gè) LTM4611 可以高效率地將該 1.5V 銅層電壓轉(zhuǎn)換為 POL 處的 1.2V。結(jié)果主板上的總體解決方案尺寸可能相當(dāng)有吸引力，同時(shí)還無(wú)需將 3.3V 總線電壓發(fā)送到 PCB 的所有部分。在 PCB 制造過(guò)程中盡量減少銅層數(shù)目的選項(xiàng)有望節(jié)省成本和材料，并在批量生產(chǎn)中產(chǎn)生提高 PCB 良率及 PCB 可靠性的關(guān)聯(lián)優(yōu)勢(shì)。
自發(fā)生偏置電源
LTM4611 不需要采用輔助偏置電源為其內(nèi)部控制 IC 或 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路供電；它可依靠其輸入電源產(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 的輸入運(yùn)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(dòng)信號(hào)，并在使用 5V、3.3V 或更低總線電壓的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高效率。LTM4611 背后是一種降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌撏負(fù)湄?fù)責(zé)對(duì)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(guò)正確地選擇輸入電源 (取決于電源動(dòng)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。也可選擇利用電阻器對(duì) LTM4611 的 PLLFLTR/fSET 引腳進(jìn)行引腳搭接，以將開關(guān)頻率調(diào)整至介于 330kHz 和 780KHz 之間，或者，將開關(guān)頻率同步至一個(gè)加至其 MODE_PLLIN 引腳的 360kHz 至 710kHz 時(shí)鐘信號(hào)。
多個(gè)電源的均流以提供 60A 或更大的輸出電流
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�？刹⒙�(lián)更多的模塊以提供更高的輸出電流 —— 詳情請(qǐng)咨詢凌力爾特。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(dòng)、瞬變以及穩(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(guò)采用主-從配置或“壓降均分 (droop-sharing)”(也被稱為“負(fù)載線路均分”) 來(lái)實(shí)現(xiàn)均流。在啟動(dòng)和瞬態(tài)負(fù)載條件下，主-從模式容易遭受討厭的過(guò)流跳變，而壓降均分則會(huì)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(wú)法保證優(yōu)良的模塊至模塊電流匹配。
從無(wú)負(fù)載到滿負(fù)載時(shí)，LTM4611 一般提供好于 0.2% 的負(fù)載穩(wěn)定性，而在 -40°C 至 125°C 的整個(gè)內(nèi)部模塊溫度范圍內(nèi)，最高穩(wěn)定度為 0.5%。
易于實(shí)現(xiàn) POL 應(yīng)用：1.8V 至 5.5V 輸入到 1.5V/15A 輸出
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 之間的單個(gè)電阻器編程。控制環(huán)路驅(qū)動(dòng)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(guò) 1.22V (±10%) 時(shí)，TRACK/SS 引腳上的軟啟動(dòng)電容器 CSS 設(shè)定 LTM4611 的輸出啟動(dòng)速率。CSS 確保以單調(diào)的輸出電壓波形啟動(dòng)，支持平滑加電以進(jìn)入預(yù)偏置輸出電壓狀態(tài)。另一個(gè)電源軌的電阻器分壓器可以加到 TRACK/SS 引腳，以設(shè)定相對(duì)于基準(zhǔn)電源軌一致或成比例地跟蹤 LTM4611 的輸出軌。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)，這是一項(xiàng)便利的特性。
圖 1：LTM4611 的簡(jiǎn)化方框圖和典型應(yīng)用
遠(yuǎn)端采樣實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的 POL 調(diào)節(jié)
按照常規(guī)，高電流低電壓 FPGA、ASIC 和微處理器均要求在 POL 終端 (通常是 Vdd 和 Dgnd 引腳) 上提供經(jīng)過(guò)精確調(diào)節(jié)的極其準(zhǔn)確的電壓，標(biāo)稱為 VOUT 的 ±3% (或更好)。在輸出電壓低于 3.7V 時(shí)，這是最難以做到的，而為了滿足這種調(diào)節(jié)要求，LTM4611 提供了一個(gè)單位增益緩沖器，以對(duì)負(fù)載終端處的輸出電壓進(jìn)行遠(yuǎn)端采樣。
PCB 中 VOUT 和 GND 銅層之間的壓降是不可避免的，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造成的。如圖 1 所示，POL 兩端 (VOSNS+ 減去 VOSNS_) 的差分反饋信號(hào)在 DIFF_VOUT 端相對(duì)于該模塊的局部地 SGND 得到了重構(gòu)，從而允許控制環(huán)路補(bǔ)償在模塊輸出引腳與 POL 設(shè)備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(hào)；否則，PGOOD 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輸出端故障的影響。LTM4611 還包括一種輸出過(guò)壓保護(hù)功能：當(dāng)輸出電壓超過(guò)標(biāo)稱值的 107.5% 時(shí)，內(nèi)部低壓端 MOSFET 接通，直到過(guò)壓情況清除為止。
你的機(jī)器有多環(huán)保?
今天和以往同樣重要的是 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換效率和熱量管理。LTM4611 采用耐熱增強(qiáng)型 LGA (焊盤網(wǎng)格陣列) 封裝，以小的焊盤格局 (僅 15mm x 15mm) 和小的物理體積 (高僅 4.32mm，因此僅占用 1cm3 的空間) 提供富有吸引力的高效率。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(duì)平坦，從而使 LTM4611 的熱設(shè)計(jì)以及在后續(xù)產(chǎn)品中的重復(fù)使用變得簡(jiǎn)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之下也不例外。
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
EFFICIENCY：效率
LOAD CURRENT：負(fù)載電流
就越來(lái)越多的應(yīng)用而言，降低輕負(fù)載時(shí)的功耗與降低重負(fù)載時(shí)的功耗同等重要。在只要可能而且無(wú)論何時(shí)只要可行 (就能量轉(zhuǎn)換而言) 的情況下，數(shù)字器件就會(huì)被有意設(shè)計(jì)成在較低功率狀態(tài)下工作，而且僅間歇性地吸取峰值功率 (滿負(fù)載)，這種做法越來(lái)越普遍。LTM4611 支持脈沖跳躍模式 (Pulse-Skip Mode) 和突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作，與強(qiáng)制連續(xù)模式 (Forced Continuous Mode) 工作相比，這兩種工作模式在較小的負(fù)載電流 (< 3A) 時(shí)，提供高得多的效率。
耐熱增強(qiáng)型封裝
該器件的 LGA 封裝允許從頂部和底部散失熱量，因而便于使用金屬底盤或 BGA 散熱器。這種外型有助于在有或沒(méi)有氣流的情況下，實(shí)現(xiàn)非常好的散熱。圖 3 顯示了 LTM4611 頂部的紅外 (IR）熱像，圖中 LTM4611 將 5V 輸入轉(zhuǎn)換為 1.5V/15A 輸出，在沒(méi)有氣流的情況下，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上測(cè)得的功耗為 3.5W。其最高的表面溫度約為 65°C。
圖 3：LTM4611 穩(wěn)壓器的頂部熱像，從 5V 輸入產(chǎn)生 1.5V/15A 輸出。功耗為 3.5W。該結(jié)果是在表面溫度為 65°C、無(wú)氣流情況下在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上測(cè)得的。
圖 4：LTM4611 是一個(gè)完整的低 VIN DC/DC 穩(wěn)壓器系統(tǒng)，采用小型表面貼裝封裝。
結(jié)論
LTM4611 是一款微型模塊降壓型穩(wěn)壓器，非常容易放入需要由低壓輸入 (低至 1.5V) 提供大輸出電流的 POL 應(yīng)用。在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)，LTM4611 的效率和熱性能都很高，從而簡(jiǎn)化了在 POL 應(yīng)用中的放置。LTM4611 提供高達(dá) 15A 的輸出電流，而且可以非常容易地并聯(lián)以產(chǎn)生高達(dá) 60A 的電流，就新一代 3.3V 以及其他系統(tǒng)總線架構(gòu)而言，該器件有助于簡(jiǎn)化和實(shí)現(xiàn)安裝在電路板上的電源解決方案。 |
