面向多軌預偏置負載應用的靈活排序

背景
大多數大型嵌入式系統都由 48V 輸入供電，該 48V 輸入通過(guò)背板發(fā)送到系統內每個(gè) PC 板，這種供電方式常常稱(chēng)為分布式電源系統。該 48V 輸入通過(guò)一個(gè)隔離式中間總線(xiàn)轉換器 (IBC) 降至一個(gè)較低的電壓，通常在 5V 至 12V范圍。然后，這種中間總線(xiàn)輸出電壓需要再次降低，以用于分支電路和電路板上的 IC，這些分支電路和 IC 需要數十 mA 至數十 A電流和 0.8V 及更高的電壓。這些完成再次降壓的器件稱(chēng)為負載點(diǎn) (POL) 穩壓器。

分布式電源系統中一般包括微處理器和數字信號處理器 (DSP)，這兩類(lèi)器件都需要內核電源和輸入/輸出 (I/O) 電源，在啟動(dòng)和停機時(shí)，這些電源必須排序。設計師必須考慮加電和斷電時(shí)內核及 I/O 電壓的相對大小及電壓的時(shí)序，以符合制造商的性能規范。如果沒(méi)有正確的電源排序，就會(huì )發(fā)生閉鎖或過(guò)度吸收電流，這有可能導致微處理器 I/O 端口或支持器件 (如存儲器、可編程邏輯器件 ─ PLD、現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 ─ FPGA、數據轉換器 … 等等) I/O 端口的損壞。為了確保內核電壓正確偏置后再驅動(dòng) I/O 負載，跟蹤內核電源電壓和 I/O 電源電壓是必要的。

某些處理器要求 I/O 電壓先于內核電壓上升，而有些 DSP 則要求內核電壓先于 I/O 電壓上升。斷電排序也需要。有多達 7 個(gè)輸入電壓軌需要排序的專(zhuān)用集成電路 (ASIC) 是很普遍。理想的排序允許系統中所有軌任意排序，允許任何軌的升降取決于其他軌。在這些軌之間建立一種依賴(lài)關(guān)系，這樣，如果在順序加電時(shí)，其中一個(gè)軌沒(méi)有上升到滿(mǎn)電壓，那么加電過(guò)程就停止。此外，在 FPGA、PLD、DSP和微處理器中，一般將二極管作為靜電放電 (ESD) 組件，放置在內核和 I/O 電源之間。如果輸入電壓未加控制，或如果電源無(wú)法給預偏置負載供電，那么加電或斷電時(shí)，這些內部二極管可能會(huì )損壞。

在預偏置負載情況下，負載上已經(jīng)加上了一個(gè)電壓，該電壓可能是穩定狀態(tài)的電壓，也可能是從加電或斷電起開(kāi)始轉變的電壓。提到可以預偏置的 IC，ASIC 是一個(gè)很好的例子。一般情況下，ASIC 會(huì )需要多個(gè)電壓軌工作在例如 1.0V、1.1V、1.2V、1.8V、2.5V 和 3.3V。在 ASIC 內部，這些軌之間都會(huì )有一個(gè)二極管，通過(guò)不允許電壓高于二極管兩端的壓差來(lái)實(shí)現內部保護。加電或斷電時(shí)，可能存在一種情況 ── ASIC 內兩個(gè)軌之間的電壓比二極管壓降高得多，從而引起很大的電流流過(guò)二極管，并導致二極管出故障。這種大電流可能回流到 DC/DC 轉換器的同步 MOSFET 中，而且這種情況通常在加電或斷電時(shí)發(fā)生。采用一個(gè)在接通或斷開(kāi)時(shí)不允許負電流流經(jīng)輸出電感器的 DC/DC 轉換器，就可以防止這個(gè)問(wèn)題，這種方法要求 DC/DC 轉換器在加電或斷電時(shí)以突發(fā)模式 (Burst Mode®) 或斷續傳導模式工作。

解決老問(wèn)題的新方法
凌力爾特公司的 DC/DC 轉換器可以安全地給預偏置負載供電，最近推出的三輸出、多相同步 DC/DC 控制器 LTC3853 就是這類(lèi) DC/DC 轉換器之一。LTC3853 是一種高效率、三輸出同步降壓型開(kāi)關(guān)穩壓控制器，具一致或比例制跟蹤能力。通過(guò)準確的運行門(mén)限和兩個(gè)電源良好輸出，電源排序非常容易實(shí)現。其 4.5V 至 24V (最大值為 28V) 的輸入范圍涵蓋了種類(lèi)繁多的應用，其中包括大多數中間總線(xiàn)電壓。強大的內置柵極驅動(dòng)器給所有 N 溝道 MOSFET 級供電，而且在一個(gè)通道的輸出電壓范圍為 0.8V 至 13.5V、另兩個(gè)通道的輸出電壓范圍為 0.8V 至 5.5V 時(shí)，每相可產(chǎn)生超過(guò) 20A 的輸出電流。恒定頻率架構允許 250kHz 至 750kHz 的可選固定或可同步鎖相環(huán) (PLL) 頻率。

LTC3853 配置為 3 個(gè)單獨的輸出，還可以配置為 2 + 1 型控制器，在這種情況下，可將通道 1 和通道 2 連起來(lái)使兩個(gè)輸出并聯(lián)，通道 3 則是一個(gè)獨立的輸出。通過(guò)使 3 個(gè)輸出級以 120° 相差運行，可最大限度地降低功耗和電源噪聲。當配置為 2 + 1 型控制器時(shí)，通道 1 和通道 2 相位相差 180°，以在有一個(gè)大電流輸出和一個(gè)小電流輸出時(shí)，保持輸入電流得到最佳平衡。

以 2 + 1 模式運行的雙輸出轉換器
圖 1 顯示了在 6.5V 至 14V 輸入范圍內工作的雙輸出轉換器原理圖。通道 1 和通道 2 饋送相同的 1.2V 輸出，而通道 3 控制第二個(gè) 3.3V 輸出。這種 2 + 1 型配置僅需要一個(gè) RUN 引腳 (RUN1) 來(lái)啟動(dòng)通道 1 和通道 2。通道 2 的反饋誤差放大器被禁止，兩個(gè)通道共用通道 1 的反饋分壓器。電流檢測比較器的封裝后微調可提供通道 1 和通道 2 之間的卓越均流。圖 2 中對這一點(diǎn)進(jìn)行了說(shuō)明，其中顯示了 ±25% 負載階躍時(shí)每個(gè)通道的電感器電流，所產(chǎn)生的輸出電壓瞬態(tài)約為 63mVpp，不到 ±3%。

圖 1：LTC3853 的高效率 1.2V/30A、3.3V/5A 雙輸出原理圖