電子系統(tǒng)越來越復(fù)雜,我們需要更靈活的電源管理解決方案
發(fā)布時(shí)間:2020-12-23 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】隨著技術(shù)不斷進(jìn)步,所有電子系統(tǒng)中包含的功能內(nèi)容數(shù)量不斷增多,可用空間卻在不斷減少。手機(jī)有觸摸屏、手電筒、省電模式和精巧的攝像頭。以前汽車儀表盤上只有基本的AM收音機(jī)和少量簡易的儀表,現(xiàn)在卻裝滿了精密的儀器儀表、衛(wèi)星收音機(jī)、藍(lán)牙®、GPS和其他基于手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接、多彩車燈以及無數(shù)的USB接口。工業(yè)計(jì)算機(jī)包含條形碼讀碼器、大屏幕、硬盤驅(qū)動(dòng)器和發(fā)光鍵盤。醫(yī)療電子設(shè)備包含傳感器、多強(qiáng)度閃光燈、儀表和省電模式。
不變的是對電源和功率的需求。隨著便攜式和系統(tǒng)電子功能不斷增加,它們對功率的需求也隨之增加,特別是在用到以下這些復(fù)雜的電子IC時(shí):
● 圖形處理單元(GPU)
● 現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)
● 微控制器和微處理器
● 可編程邏輯器件(PLD)
● 數(shù)字信號處理器(DSP)
● 專用集成電路(ASIC)
● 可編程邏輯器件(PLD)
這些復(fù)雜的數(shù)字器件需要高功率密度多電壓軌電源,這些電源具有高電流、低電壓和快速瞬態(tài)響應(yīng)特性。這些嚴(yán)格的要求和特定的高性能要求(如低噪音或數(shù)字控制)加在一起,為電源設(shè)計(jì)人員提供先進(jìn)的解決方案造成了不小的壓力。在所有情況下,電源設(shè)計(jì)人員也應(yīng)保持同步跟上這些器件需求的演進(jìn)。
功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著諸多挑戰(zhàn),包括滿足嚴(yán)格的空間要求、有限的工作溫度范圍和噪聲規(guī)格。器件高度集成可以幫助節(jié)省PCB空間,但需要高效的功率器件確保溫例如,如今的汽車儀表盤中包含多種在較高環(huán)境溫度下運(yùn)行的電子系統(tǒng),所以溫度監(jiān)控和報(bào)告非常重要,對于電源管理組件尤其如此。系統(tǒng)控制器可以對超溫(OT)警報(bào)作出響應(yīng),并采取緩解措施來防止系統(tǒng)過熱,例如關(guān)閉不太重要的功能或限制處理器、顯示器和網(wǎng)絡(luò)通信。
從電源角度來看,即使是最基本的汽車儀表盤信息娛樂控制面板都需要多個(gè)不同電流的低壓電源電軌(輸出電平),總電流只有幾安培,高級控制臺需要的更多。傳統(tǒng)上,低壓電軌一般是采用許多微型負(fù)載點(diǎn)(POL)分立式功率調(diào)節(jié)器IC產(chǎn)生,或者,采用高度集成的大型電源管理集成電路(PMIC)產(chǎn)生。許多PMIC通常具有超過需求更多的電壓軌,因此需要更大尺寸的電路,而其中某些電軌的功率可能不足,無法滿足額外集成的目的。
另一個(gè)潛在設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是需求蠕變,或者產(chǎn)品規(guī)格的改變速度跟不上開發(fā)發(fā)展的速度,例如輸入和輸出電壓、輸出電流的變化。需求蠕變會嚴(yán)重影響集成電路和相關(guān)分立式組件的選擇。在最好的情況下,如果系統(tǒng)規(guī)格在電路板布局確定之后發(fā)生變化,則可以通過改換可調(diào)輸出轉(zhuǎn)換器上的電阻來調(diào)節(jié)電壓。在最糟糕的情況下,當(dāng)更新之后的電流電平超過現(xiàn)有轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電流額定值時(shí),需要采用引腳排列不兼容的IC來更換多個(gè)IC。即使是最小的功能改變,都可能要求重新進(jìn)行IC、電路板或系統(tǒng)級別的認(rèn)證,出現(xiàn)成本增加、計(jì)劃延遲的情況。
解決這些問題的方法,是使用多輸出的功率IC。相比純粹的分立式、單輸出或雙輸出IC,PMIC提供的輸出更多,占用的空間更少,且需要的器件數(shù)也更少。這種電壓調(diào)節(jié)器是一個(gè)多輸出功率IC,提供可配置的多個(gè)中等功率電軌,且解決方案的尺寸小巧。理想情況下,這種IC可以配置成輸出各種電壓和電流,以適應(yīng)開發(fā)過程中出現(xiàn)的電源需求變化,避免重新認(rèn)證,并縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。此外,它可以在高于5 V的輸入電壓下高效工作,所以可以用于各種應(yīng)用場合,例如12 V至18 V的電壓適配器。除此以外,需要的特性還包括:集成安全和監(jiān)控特性、寬溫度范圍運(yùn)行,以及具備較高熱性能的創(chuàng)新封裝設(shè)計(jì)等。
靈活、可配置的20 V多輸出功率IC
ADI的 LTC3376 是一款高度集成的通用電源管理解決方案,適用于需要多個(gè)低壓供電軌的系統(tǒng)。該器件可配置為可從最高20 V的輸入提供1至4個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)輸出,具備15種可行輸出電流配置,總輸出電流最高可達(dá)12 A;詳情參見圖1。這種靈活性使得LTC3376非常適合用于多種多通道應(yīng)用,包括電信、工業(yè)、汽車和通信系統(tǒng)。
圖1. LTC3376簡化功能框圖。
LTC3376具備4個(gè)獨(dú)立的降壓穩(wěn)壓器通道、8個(gè)可配置的1.5 A功率級、靈活的時(shí)序和故障監(jiān)測功能,總可用輸出電流為12 A,峰值降壓效率為96%,在所有通道上的輸出電壓精度為±1%。每個(gè)通道可由獨(dú)立的3 V至20 V輸入電源供電,輸出電壓的范圍最低可至0.4 V。相鄰輸出可通過單個(gè)共享電感并聯(lián)排列,以簡化電路。DC-DC轉(zhuǎn)換器通過CFG0到CFG3引腳進(jìn)行配置,由系統(tǒng)分配采用15種功率配置中的一種。無需采用外部BST電容,因?yàn)樗鼈円驯患傻椒庋b中。
LTC3376的開關(guān)穩(wěn)壓器支持兩種工作模式:突發(fā)工作模式(Burst Mode®)(默認(rèn)的上電模式),可在輕載下提供更高效率,強(qiáng)制連續(xù)脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式,可在輕載下提供更低噪聲。開關(guān)穩(wěn)壓器從內(nèi)部補(bǔ)償,只需采用外部反饋電阻來設(shè)置輸出電壓。降壓轉(zhuǎn)換器提供輸入限流(軟啟動(dòng),在啟動(dòng)期間限制浪涌電流)、差分輸出檢測和短路保護(hù)。該器件配有一個(gè)可編程、可同步的1 MHz至3 MHz振蕩器,默認(rèn)采用2 MHz開關(guān)頻率。
在四個(gè)轉(zhuǎn)換器全部啟用的情況下,靜態(tài)電流僅為42 μA。其他特性包括:四個(gè)電源良好引腳,指明啟用的DC-DC轉(zhuǎn)換器是否在指定目標(biāo)輸出的百分比內(nèi);電流監(jiān)測器,從外部監(jiān)測每個(gè)降壓穩(wěn)壓器的負(fù)載;一個(gè)EXTVCC 引腳,用于改善效率;準(zhǔn)確的RUN引腳閾值,以確定上電時(shí)序;一個(gè)裸片溫度監(jiān)測器輸出(通過TEMP引腳上的模擬電壓讀取),顯示外部裸片溫度;以及超溫功能,過載條件下裸片溫度較高時(shí)禁用降壓穩(wěn)壓器。
LTC3376采用緊湊的64引腳7 mm × 7 mm倒裝引腳球柵陣列(BGA)封裝。在–40°C至+125°C工作結(jié)溫范圍內(nèi),指定采用E和I級。
靈活性和可配置性
LTC3376本身具備的靈活性使其可以采用15種不同的輸出配置:
● 單個(gè)電感,單個(gè)輸出12 A降壓,所有功率級在內(nèi)部組合,產(chǎn)生最大的電流輸出。
● 四種可能的雙降壓組合,兩個(gè)電感,總輸出電流總和為12 A。
● 五種三通道降壓組合,每種三個(gè)電感,總電流12 A。
● 五種四通道降壓配置,每種四個(gè)電感,總電流12 A(參見圖2)。
圖2. 典型的四通道輸出應(yīng)用電路。
查看表1,了解15種可能的輸出配置的列表。設(shè)計(jì)期間要求發(fā)生變化時(shí),這種靈活性可以實(shí)現(xiàn)輕松調(diào)整,從而繼續(xù)使用LTC3376,無需再對新IC實(shí)施認(rèn)證。
表1. LTC3376:15種12 A總電流輸出配置示例
出色的熱設(shè)計(jì)和緊湊型解決方案
LTC3376通過在其緊湊的64引腳7 mm × 7 mm倒裝引腳球柵陣列封裝中組合采用多種封裝技術(shù),提供一種緊湊、具備較高熱效率的解決方案。封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使用銅柱代替鍵合線,內(nèi)部旁路電容和集成式襯底接地平面進(jìn)一步提高EMI,降低對PCB布局的敏感度,從而簡化設(shè)計(jì)并降低性能風(fēng)險(xiǎn)(參見圖3了解詳情)。此外,裸片中的功率器件排列可以最大化熱性能,均衡分配功耗。
(a)
(b)
(c)
圖3. LTC3376倒裝封裝(a)引腳球柵陣列,(b)銅柱在裸片下方以及(c)集成旁路電容。
圖4所示為采用4 × 3 A、四通道降壓穩(wěn)壓器(總輸出電流12 A)的LTC3376完整解決方案。解決方案總尺寸緊湊小巧:有效面積僅為~1.5 cm × 2.9 cm ~ < 4.4cm2.
圖4. LTC3376演示板,展示提供5 V、3.3 V、2.5 V和1.8 V輸出的4 × 3 A降壓解決方案。
額外的系統(tǒng)監(jiān)測、安全和保護(hù)
除了可配置性外,LTC3376還具備多種安全特性,對由它供電的系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)測和保護(hù)。每個(gè)降壓穩(wěn)壓器關(guān)聯(lián)的PGOOD引腳會報(bào)告功率故障情況。每個(gè)降壓穩(wěn)壓器都配有電流監(jiān)測器,該監(jiān)測器在IMON引腳上產(chǎn)生電流,電流的值與平均降壓負(fù)載電流的值成比例。
為了防止LTC3376和其周圍的組件遭受熱損壞,LTC3376集成了超溫功能。當(dāng)LTC3376裸片的溫度達(dá)到165°C(典型值)時(shí),所有開啟的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器關(guān)閉,并保持關(guān)閉狀態(tài),直至裸片溫度降低至155°C(典型溫度)。
LTC3376還包含一個(gè)溫度監(jiān)測器:可通過對模擬TEMP引腳電壓采樣來讀取裸片溫度。通過TEMP引腳電壓表示的溫度T的計(jì)算公式如下:
其中,VTEMP 是TEMP引腳上的電壓。
可配置的降壓穩(wěn)壓器系列
表2顯示整個(gè)可配置的四通道和八通道降壓穩(wěn)壓器系列,其中LTC3376是新產(chǎn)品。LTC3376具備最高的總輸出電流(最高12 A)和最高的輸入電壓容量(最高20 V)。LTC3376具備最高的總輸出電流(最高12 A)和最高的輸入電壓容量(最高20 V)。
表2. ADI Power系列可配置四通道和八通道降壓穩(wěn)壓器
結(jié)論
在技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下,汽車信息娛樂、消費(fèi)電子手持設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用的功能性內(nèi)容愈加豐富。在許多情況下,這些系統(tǒng)的輸入電壓都超過5 V,并由復(fù)雜的低電壓、大電流數(shù)字IC供電,這些IC本身都有獨(dú)特的功率需求。傳統(tǒng)上,電壓電軌和電流電平都由眾多分立式功率調(diào)節(jié)器IC支持,或由尺寸相對較大、過度集成的電源管理集成電路或PMIC支持。兩者都不具備靈活性,尺寸也不小巧。
采用單通道、四通道或八通道多輸出功率IC來替換這些方案是一個(gè)明智的選擇。LTC3376引腳可配置的PMIC就是新一代多輸出功率IC的示例。它是一個(gè)20 V輸入的數(shù)字可編程、高效率多輸出功率電源IC,包含四個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器和八個(gè)內(nèi)部功率級(總IOUT 最高12 A),且輸出電壓低。由于可以采用多達(dá)15種不同的輸出電流配置,所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以利用其靈活性來消除功率模塊系統(tǒng)變化和特性蠕變帶來的影響。無需過早實(shí)施價(jià)格高昂的電路板或系統(tǒng)級認(rèn)證,縮短產(chǎn)品上市時(shí)間,降低開發(fā)成本并減少升級時(shí)間和成本。
LTC3376
● 寬 VIN 范圍:3V 至 20V
● 寬 VOUT 范圍:0.4V 至 0.83 • VIN
● 8× 1.5A 降壓功率級,可配置為 1 至 4 個(gè)輸出通道
● 15 種獨(dú)特的引腳可選輸出配置(每個(gè)通道 1.5A 至 12A)
● 內(nèi)部升壓電容器可減小 PCB 空間
● 空載 IQ 27µA 支持 1 個(gè)降壓;42µA 支持全部降壓
● 所有通道上的精度為 1% VOUT
● 峰值電流模式控制(Burst Mode® 運(yùn)行/強(qiáng)制連續(xù))
● 精確 RUN 輸入,為上電時(shí)序控制提供單獨(dú)的 PGOOD 輸出
● 1MHz 至 3MHz 頻率(RT 可編程,PLL 同步或內(nèi)部 2MHz 振蕩器)
● TEMP 引腳輸出可指示裸片溫度
● 輸出電流監(jiān)控器
● 差分輸出檢測
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