非常見(jiàn)問(wèn)題第191期：負載點(diǎn)DC-DC轉換器解決電壓精度、效率和延遲問(wèn)題

問(wèn)題：

為什么使用DC-DC轉換器應盡可能靠近負載的負載點(diǎn)(POL)電源？

答案：

效率和精度是兩大優(yōu)勢，但實(shí)現POL轉換需要特別注意穩壓器設計。

接近電源。這是提高電源軌的電壓精度、效率和動(dòng)態(tài)響應的最佳方法之一。負載點(diǎn)轉換器是一種電源DC-DC轉換器，放置在盡可能靠近負載的位置，以接近電源。因POL轉換器受益的應用包括高性能CPU、SoC和FPGA——它們對功率級的要求都越來(lái)越高。例如，在汽車(chē)應用中，高級駕駛員輔助系統(ADAS)——例如雷達、激光雷達和視覺(jué)系統——中使用的傳感器數量在穩步倍增，導致需要更快的數據處理（更多功耗）以最小的延遲檢測和跟蹤周?chē)奈矬w。

在這些數字系統中，有很多都使用高電流和低電壓，因此更需要盡可能縮短電源和負載之間的距離。高電流導致的一個(gè)明顯問(wèn)題是，從轉換器到負載，線(xiàn)路產(chǎn)生的電壓會(huì )不斷下降。圖1和圖2顯示了電源和負載之間引線(xiàn)電阻的最小化如何使轉換器的輸出電壓降最小化——本例中是控制器IC和為CPU供電的MOSFET。

圖1 PCB走線(xiàn)較窄情況下的DC-DC輸出電壓降

圖2 PCB走線(xiàn)較寬情況下的DC-DC輸出電壓降

圖2所示的較寬PCB走線(xiàn)減小了壓降以達到精度要求，但還必須考慮寄生電感。圖2中的PCB走線(xiàn)長(cháng)度估計有約14.1 nh的電感，如圖3的LTspice^?模型所示。

圖3 PCB走線(xiàn)電感的LTspice模型

電感會(huì )抑制電流的動(dòng)態(tài)變化di/dt，當負載變化時(shí)，經(jīng)過(guò)該寄生電感的電流受其時(shí)間常數限制，瞬態(tài)響應劣化。寄生電感導致的結果是電壓下降，如圖4中的仿真圖所示。

圖4 DC-DC輸出電壓突降和瞬態(tài)電流

將轉換器放在負載附近可使PCB電阻和寄生電感的影響最小。DC-DC轉換器IC應放置在最靠近CPU的位置。注意，圖1和圖2顯示了傳統高電流電源（即開(kāi)關(guān)模式控制器和外部FET）的原理圖?？刂破鱂ET解決方案可以處理上述應用所需的高電流負載?？刂破鹘鉀Q方案的問(wèn)題是外部FET有空間要求，因而可能難以獲得真正的POL穩壓器解決方案，如圖5的示例布局所示。

圖5 DC-DC轉換器與CPU的理想布局

控制器的一個(gè)替代方案是單芯片解決方案，其中FET在轉換器IC內部。例如，LTC3310S單片降壓調節器（IC尺寸為3 mm×3 mm）可實(shí)現負載點(diǎn)解決方案，單個(gè)IC最多可提供10 A電流，并聯(lián)多個(gè)IC可提供20 A電流。這些IC分別如圖6和圖12所示。

圖6 LTC3310S降壓調節器

圖7 小尺寸LTC3310S支持POL布局

除了小封裝尺寸外，LTC3310S還支持最大5 MHz的開(kāi)關(guān)頻率——高頻工作可減小必要的輸出電容和整體解決方案PCB尺寸。圖8顯示了LTC3310S的負載瞬態(tài)性能，其中8 A負載變化導致的輸出電壓偏移小于±40 mV，此性能的實(shí)現只需要110μF輸出電容。

圖8 LTC3310S的瞬態(tài)響應

盡管使用高功率單片POL轉換器具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但有一個(gè)因素可能是攪局者：熱量。如果轉換器產(chǎn)生的熱量過(guò)多，則它將無(wú)法用于已然很熱的系統中。

在上述解決方案中，LTC3310S內部溫度升幅通過(guò)高效率操作而得以最小化，即使在CPU、SoC和FPGA等高功耗器件周?chē)膼毫訙囟葪l件下，它也能夠可靠地運行。此外，LTC3310S內置精密溫度傳感器，支持通過(guò)SSTT引腳測量?jì)炔拷Y溫，如圖10所示，相應的溫度傳感器特性如圖11所示。

圖9 LTC3310S的熱攝像頭圖像

圖10 LTC3310S溫度檢測引腳

圖11 軟啟動(dòng)和溫度監控操作

某些單片穩壓器可通過(guò)多相并聯(lián)操作擴展到更高負載應用。圖12顯示了多個(gè)LTC3310S器件并聯(lián)并錯相工作，使得電流能力加倍。

控制器的時(shí)鐘由RT引腳上的單個(gè)電阻設置，子節點(diǎn)的相對相位通過(guò)RT引腳上的電阻分壓器編程。在圖12所示的情況中，RT接地，將子節點(diǎn)設置為相對于控制器相移180°。

圖13顯示了2通道轉換器的電感電流和輸出紋波電流，如圖12所示。同相性能與雙反相性能進(jìn)行比較。反相操作將輸出紋波電流（通過(guò)抵消）從14 A峰峰值（單相）降低到6 A峰峰值（雙相），而無(wú)需額外的外部濾波器。

結論

總之，LTC3310S是一款高效且小型的POL解決方案，適用于為高耗電CPU、SoC、FPGA供電的高電流電源系統。其尺寸很小，并可優(yōu)化功率效率，導致自發(fā)熱很低，因而其可以非?？拷撦d。它可以輕松并聯(lián)，在多相解決方案中使用多個(gè)LTC3310S可提高功率。

圖12 20 A雙相單片穩壓器POL解決方案

圖13 比較兩個(gè)版本的雙通道轉換器的電感電流和輸出電流：(a) 同相通道與 (b) 反相通道

作者簡(jiǎn)介

Atsuhiko Furukawa于2006年加入凌力爾特（現在已成為ADI公司的一部分）。10多年以來(lái)，他一直為中小型客戶(hù)提供多種應用技術(shù)支持。2017年，他被調到汽車(chē)部門(mén)，現在主要負責設計大型（幾kW）和小型安全汽車(chē)應用。Atsuhiko是一名馬拉松長(cháng)跑健將，取得的最好成績(jì)是3小時(shí)3分鐘。聯(lián)系方式：atsuhiko.furukawa@analog.com。