负载点DC-DC转换器解决电压精度、效率和延迟问题

Atsuhiko Furukawa

为什么使用负载点 （POL） 电源，其中 DC-DC 转换器尽可能靠近负载？

效率和精度是两大优势，但实现POL转换需要在稳压器设计中小心谨慎。

这是提高电压精度、效率和电源轨动态响应的最佳方法之一。负载点转换器是放置在尽可能靠近负载的电源DC-DC转换器，以实现接近电源。受益于 POL 转换器的应用包括高性能 CPU、SoC 和 FPGA，所有这些都需要不断提高的功率水平。例如，在汽车应用中，用于高级驾驶辅助系统（ADAS）的传感器数量（例如雷达、激光雷达和视觉系统中的传感器）正在稳步增加，因此需要更快的数据处理（更大的功率）以最小的延迟检测和跟踪周围物体。

其中许多数字系统在高电流和低电压下工作，因此需要最大限度地缩短电源到负载之间的距离。高电流的一个明显问题是从转换器到负载的走线感应压降。图1和图2显示了如何最大限度地减小电源和负载之间引线的电阻，从而最大限度地降低转换器输出的输出电压降，在本例中，控制器IC和MOSFET为CPU供电。

图1.DC-DC输出电压降，PCB走线更窄。

图2.DC-DC输出电压降，具有更宽的PCB走线。

图2所示的更宽PCB走线降低了压降以满足精度要求，但还必须考虑寄生电感。图2中的PCB走线长度估计电感约为14.1 nH，如图3的LTspice模型所示。®

图3.用于PCB走线电感的LTspice模型。

由于当负载变化时，电感会抑制电流di/dt的动态变化，因此通过该寄生电感的电流受到其时间常数的限制，从而恶化瞬态响应。寄生电感的结果是电压下降，如图4中的仿真图所示。

图4.具有瞬态电流的DC-DC输出电压骤降。

在负载附近放置转换器可最大限度地减少PCB电阻和寄生电感的影响。DC-DC转换器IC应放置在离CPU最近的位置。请注意，图1和图2显示了传统大电流电源（即开关模式控制器和外部FET）的原理图。控制器FET解决方案可以处理上述应用所需的高电流负载。控制器解决方案的问题在于，外部FET的空间要求使得难以产生真正的POL稳压器解决方案。

控制器的一种替代方案是单片解决方案，其中FET位于转换器IC内部。例如，LTC3310S单芯片降压型稳压器（3 mm×3 mm IC基底面）支持一个IC高达10 A的负载点解决方案，并联多个IC时提供20 A的负载点解决方案。这些IC分别如图6和图12所示。

图6.LTC3310S 降压型稳压器。

图7.纤巧的 LTC3310S 占板面积可实现 POL 布局。

除了小封装尺寸外，LTC3310S还支持5 MHz的最大开关频率——高频操作降低了必要的输出电容和整体解决方案PCB尺寸。图8显示了LTC3310S的负载瞬态性能，其中8 A负载变化导致输出电压偏移小于±40 mV，仅用110 μF输出电容即可实现。

图8.LTC3310S 的瞬态响应。

尽管使用高功率单片POL转换器具有明显的优势，但存在一个可能的破坏者：热量。如果转换器产生过多的热量，则在已经很热的系统中使用时将无法存活。

在上述解决方案中，LTC3310S 的内部温升通过高效率操作得以降至最低，使其即使在 CPU、SoC 和 FPGA 等高功耗组件周围的恶劣温度条件下也能可靠地运行。此外，LTC3310S 还包括准确的内部温度传感器，该传感器允许通过 SSTT 引脚测量内部结温，如图 10 所示，所得温度传感器特性如图 11 所示。

图9.LTC3310S 的热像仪图像。

图 10.一个 LTC3310S 温度检测引脚。

图 11.软启动和温度监控操作。

某些单片稳压器可以通过多相并联操作扩展到更高负载的应用。图 12 示出了多个并联连接并异相工作的 LTC3310S 器件，以使电流能力翻倍。

控制器的时钟由RT引脚上的单个电阻器设置，子节点的相对相位通过RT引脚上的电阻分压器进行编程。在图12所示的情况下，RT接地以将子节点设置为与控制器相移180°。

图 12.20 A、双相单片稳压器POL解决方案。

图13显示了2通道转换器的电感电流和输出纹波电流，如图12所示。将同相性能与双反相性能进行比较。反相操作可将输出纹波电流（通过消除）从 14 A 峰峰值（单相）降低至 6 A 峰峰值（双相），无需额外的外部滤波器。

图 13.比较两个版本的2通道转换器的电感电流和输出电流：（a）通道同相与（b）反相。

结论

总之，LTC®3310S 是一款高效、纤巧型 POL 解决方案，适用于为高功率高功率系统供电，为高功率需求 CPU、SoC 和 FPG 供电。其小尺寸和优化的电源效率导致低自散热，使其能够放置在非常靠近负载的位置。它可以很容易地并联，以便在多相解决方案中使用多个 LTC3310S 来扩展功率。

审核编辑：郭婷