高电流功率转换解决方案

高电流功率转换解决方案

在电压不断降低的情况下增加输出电流 这个日益高涨的要求将继续对电源开发起到推动作用。该领域的进步大多归功于功率转换技术所取得的成果,尤其是电源ic和功率半导体组件方面的改进。一般来说,这些组件是通过在尽可能不影响功率转换效率的情况下提高开关频率来改善电源性能。这可以通过在降低开关和通态损耗的同时提供高效散热来实现。然而,输出电压的日益降低对这些做法施加了更大的压力,进而引发了严重的设计难题。

多相拓扑结构

对于由两个或更多的转换器来对单个输入进行处理的拓扑结构（此时,各转换器同时运行,但处于不同的锁定相位）而言,多相被认为是一个通用术语。这种方法可降低输入纹波电流、输出纹波电压并减少总rfi特征,同时实现了高电流单输出或多个较低电流输出以及完全稳定的输出电压。它还允许采用较小的外部组件,对于单片式器件而言,这将提升输出电流能力,因为多个较小的mosfet能够很容易地制作在“芯片之上”。另外,这还兼有改善热管理的好处。

凌特公司（ltc）把多相、单输出电路命名为polyphase ,而将多输出、单输入电源视作普通的多相。多相拓扑结构可被配置成降压型、升压型、甚至正激式,不过一般来说降压是更加常见的应用。ltc既制造单片式解决方案（所有的功率半导体组件均被集成于器件之中）,也制造控制器解决方案。控制器解决方案通常用于功率较高的场合（一般高于15~20w）,并需要采用外部分立式mosfet。

因此,polyphase操作在需要产生一个高电流输出的场合使用（例如：作为“砖”型dc-dc转换器的替代者）,而多相操作则在需要多个具有不同电压值的输出的场合使用（比如：用作小型系统中的fpga或处理器电源的2.x v和1.x v电压）。

ltc3708和ltc3709系列显示了上述的重要差异,见图1和图2。

如图1和图2所示,输入滤波器要求是非常相似的;两款电路的输入纹波电流均有所下降,这是因为采用了多相拓扑结构所致。然而,只有ltc3709（在右侧）的输出滤波器尺寸由于输出纹波电流的求和作用而得以减小。

polyphase降压应用

电源设计所面临的最大挑战之一是在高负载电流条件下实现高降压比。此外,维持高转换效率、符合严格的瞬态响应条件以及最大限度地缩小板级空间也都是必需满足的要求。典型应用需要所有这些性能水平,这包括微处理器、dsp和fpga电源。

对于中等功率系统,两相、同步降压型开关控制器（例如：ltc3708/9）采用一种带锁相环（pll）的恒定接通时间架构以及谷值电流控制架构,旨在提供卓越的瞬态响应和非常低的占空比。它们不需要使用一个输出电流检测电阻器,原因是这些器件采用了一种无检测电阻器（no rsensetm）功能来监视电源开关两端的电压,以确定安全的工作电流。

在较高的功率电平条件下,可扩缩型多相控制器（例如：ltc1629/3729）采用输入和输出纹波电流抵消（通过对多个并联功率级的时钟信号进行交错处理来实现）来缩减电容器和电感器的尺寸和成本。通过把pwm电流模式控制器、真正的远端采样、可选的定相控制、固有的电流均分能力、高电流mosfet驱动器以及各种保护功能（比如：过压保护、任选的过流锁断和折返电流限制）集成在单个集成电路之中,polyphase转换器有助于最大限度地减少外部组件数目和简化整个电源设计。由此实现的制造简单性有益于改善电源的可靠性。人们最终获得的将是一款通用的可扩缩型系统,该系统最多可扩展至12相,以提供高达200a的大电流输出。

逐级递减（stage sheddingtm）操作

在高电流系统中,功耗以及由之产生的热量是很重要的问题,因此,电源的效率必须尽可能地高。在polyphase架构中,两个或更多的通道异相运作,从而最大限度地减小了输入rms电流以及输入电源路径中的功耗。通过利用底端mosfet来检测电流,就不会产生由检测电阻器所引起的额外功耗（no rsense）,而且,功能强大的板载同步mosfet驱动器可有效地抑制开关损耗。然而,在轻负载条件下,polyphase系统中的开关损耗仍将成为主要的功耗,而对许多用户来说这可能是一个问题。例如,在一个未插满板卡的机架系统中便是如此。

ltc3731采用了逐级递减（stage sheddingtm）操作,该操作模式可在轻负载条件下提升效率,见图3。在逐级递减模式中,第二相在轻负载时被关断,从而使轻载开关损耗减半。如果负载进一步降低,则不允许电感器电流发生反向,开关频率最低可降至维持调节状态所需的水平,同时保持了很高的效率。

瞬态响应

当今的电源设计常常同时需要高降压比和快速动态响应。通过增加输出纹波频率(因而最大限度地减小了输出电感器和滤波器的数值),polyphase转换器能够实现绝佳的瞬态响应。此外,高速工艺还可实现控制器动态范围的扩展。例如：传统的恒定频率控制器的最小接通时间为几百纳秒(ns),而ltc3709则实现了85ns(典型值)的最小ton,以获得出色的动态响应特性。同样,ltc3708独特的无时钟延迟操作方式也可实现非常快速的负载瞬态响应、允许采用极少的输出电容器、并缩减了解决方案的成本和板级空间。

低功率polyphase升压应用

诸如ltc3425等单片式polyphase升压型转换器能够提供超过12w的输出功率,而且,与相似的单相升压型转换器相比,其外形尺寸更小、效率更高、更加扁平、输出纹波也更低。这些器件适合各种输入电压应用,从1~4.5v不等。输出电压范围为2.4~5.25v,峰值电流能力为5a。
高频（每相高达2mhz）四相架构（就像ltc3425所采用的那样）允许使用若干个小巧、低成本的电感器（而不是一个庞大笨重的电感器）,而且所需的输出滤波器电容比等效的单相电路小得多,这是由于有效输出纹波频率高达8mhz所致。此外,所有需要的功率mosfet均被制作在芯片上。对于空间受限的电路板、负载点稳压器以及要求采用扁平组件的便携式设备来说,这是很理想的选择。

易用性

设计多相转换器与设计传统的单相升压型转换器并没有什么不同。所有的电源开关都是内置的,因此四相操作是透明的。所有4个相位的电流限值和开关频率均由一个电阻器来设置,这与单相设计是相同的。输出电压的设定以及环路的补偿与其他的常见设计也并无差别。ltc还在其网站上提供了免费下载的综合性cad和spice工具,用于为更加复杂的仿真提供帮助。

ltc3425的同步四相架构在很宽的负载范围内实现了高效率,并允许采用扁平组件,见图4。3/4的输出纹波电流降幅令其能够采用小型、成本较低的陶瓷电容器来实现非常低的输出电压纹波。对于那些对噪声敏感的应用,用户能够在自动或手动突发模式操作之间以及脉冲跳跃模式或强制连续导通模式之间进行选择。所有这些功能以及输出断接、软起动、1 a停机电流、抗振铃控制、热停机、一个缓冲基准输出和一个电源良好输出均被集成在一个小外形（5mm x 5mm）的耐热增强型qfn封装。
许多便携式应用对组件的高度都有严格的限制。对于功率转换器来说,这将会是一个难题,因为在那些高度最大的组件当中,往往都包括电感器和滤波电容器。四相架构是这些应用的理想选择,即使在组件高度仅1.55mm、占板面积为3.2mm 2.5mm的情况下也不例外。一个完整的5w功率转换器可以安装在20mm 16mm的空间之内。

图5给出了一款采用ltc3425来实现从两节镍镉电池或镍氢电池至3.3v升压的典型应用电路。该设计能够在每相1mhz的开关频率条件下以高达94%的效率来提供2a以上的负载电流（4mhz输出纹波频率）。最大组件高度仅2.05mm,并在一个非常宽的负载范围内保持了高效率。
该实例的一个重要的特点是可编程自动突发模式操作,它使得用户能够设定转换器进入突发模式操作的负载电流,从而提升了轻负载条件下的效率。对于不能够由主机来对操作模式进行手动控制的系统而言,这是很理想的。由于突发模式电路监视的是平均输出电流（而不是峰值电感器电流）,因此模式门限将不受输入电压波动的影响。在本例中,由r4将突发模式门限设定为100ma。当平均负载电流降至100ma以下时,器件将进入突发模式操作,当负载电流再次增加时,器件将退出突发模式操作并返回固定频率操作。电容器c3用于滤除burst引脚上的开关纹波。

在本例中,由于vout引脚上体电容的原因,故只需要一个补偿电容器。由rff和cff所组成的前馈网络用于在突发模式操作中减小输出纹波,并在负载阶跃期间进一步改善瞬态响应。它还降低了fb引脚上的高频阻抗,从而允许采用大阻值的反馈电阻器,以实现轻负载效率的最大化。
对于那些对成本敏感的应用或者希望通过降低最大电流能力来减小电路板面积的场合,只需去掉其中的一个或两个电感器便可把ltc3425用作一个两相或三相转换器。

电源跟踪

当今电子系统复杂的电源电压跟踪和排序要求是设计师必须考虑的另一个因素。如果未对这些要求给予足够的重视,就会导致器件立即遭到破坏,或者在实际使用中过早地发生故障。

电压跟踪要求通常规定两个电源之间的电压差一定不得超过某一确定的限值。该约束条件始终适用,在上电、断电和稳态操作期间都是如此。电源排序要求则与之不同,它指定的是电源上电和断电的顺序。

不良电源跟踪或排序的恶劣后果常常是性能的不可预测性,甚至会对系统中的器件造成无法修复的损坏。fpga、pld、dsp和微处理器一般都在内核与i/o电源之间布设了二极管,作为内部esd保护组件。如果电源违反了跟踪要求并对保护二极管施加了正向偏压,则器件有可能受损或无法正确执行上电操作。

在其他场合,当i/o电源先于内核电源上电时,内核中的未定义逻辑状态会在i/o电路中引发过大的电流。即使在系统的各个组件并不要求电源跟踪或排序的情况下,整个系统仍然有可能要求进行电源排序,旨在实现正确的运作。

针对电源跟踪和排序的一种简单而通用的解决方案（没有因采用串联mosfet所产生的缺点）可采用ltc2923来实现。通过选择少量的电阻器,即可对电源进行配置,以使之按照多种电压模式来斜坡上升或下降。
许多电压跟踪解决方案都采用了串联mosfet,这会导致产生固有压降、额外的功耗并占用更大的pc板级空间。而ltc2923是通过把电流注入其反馈节点来控制电源的,从而避免了串联mosfet解决方案所固有的调整组件损耗。电源稳压性和瞬态响应不会受到影响,这是因为注入电流在使输出电压产生偏移的时候并未改变电源控制环路的动态特性。ltc的许多dc/dc转换器如ltc3736、ltc3828以及诸如ltc3415、ltc3416等单片式降压型转换器都具有电源跟踪功能。

电压裕度调节

高性能和高可靠性系统通常都要求进行最终检验或自动化自测试,以在其调节范围的上限和下限处确保额定性能和供电电压。这种测试常常被称作“电源裕度调节”或“电压裕度调节”,一般是通过强制系统中的电源模块或dc/dc转换器至其标称电压的 5%来完成的。一旦供电电压稳定于经过裕度调节的电压,即可对系统性能进行评估。

能够简化电源裕度测试并特别适合多电源应用的器件目前已经面市。ltc2920系列单信道和双信道电源裕度调节控制器提供了一种旨在实现板上电源裕度调节功能以及极短的设计时间和极小的板级空间的简易而准确的方法。越来越多的ltc产品开始拥有裕度调节功能,比如：ltc3720和ltc3415。

低电压复位

在低输入电源电压条件下确立复位节点上的正确逻辑状态是困扰着许多电源监控ic的一个问题。在上电之前,外部漏电流往往将把复位节点的电压驱动至微处理器输入的逻辑门限以上,这会阻止正确的起动操作,甚至引发潜在的系统可靠性问题。 当电源电压处于其监控门限以下时,复位节点上的期望状态为逻辑低电平。通常,一个漏极开路nmos晶体管将被用来拉低复位节点电压。在低输入电压条件下（一般低于1v）,nmos晶体管缺少用于克服上拉电流源的足够跨导,而且,复位节点有可能浮动至一个逻辑高电平。

克服复位节点电压浮动的一种常用方法是集成一个有源pmos晶体管上拉电路,并指定一个负责在低输入电压条件下拉低复位节点电压的外部接地电阻器。不过,这种方法有几个缺点,除非有一个专供内部pmos电源用的额外电源引脚,否则用户将无法控制上拉电压（因为它是采用硬连线布设于器件内部的）,而且,在外部电阻器克服pmos晶体管的上拉力之前,它就会遭遇其阻值的下限。另外,由于外部电阻器将不断地消耗功率,因此低功率系统将在复位节点为逻辑高电平的条件下受损。

四通道电源监视器(如ltc2903)通过消除误复位并维持非常高的准确度而令系统可靠性得到了极大的改善。一个专有电路在低输入电压条件下建立了一条从复位节点至地的低阻抗路径。该低阻抗路径拉低了复位节点电压,并且即使在所有的输入电压源均为0v的情况下往往也将传导电流。对于低至0.5v的v1、v2或v3,复位输出保证吸收至少5 a的电流(vol = 0.15v)。

结论

在电流日益升高的情况下降低供电电压的发展趋势（导致需要设计有效的“负载点”解决方案）是一个越来越常见的问题。通过逐步过渡到采用各种多相和多相拓扑结构,设计师将能够有效地缩减占用空间、简化布局、提升效率、降低电容器纹波电流、改善可靠性并节省成本。