降壓轉換器應對大電流輸出挑戰

　　很多排列密集和復雜的電路板設計(例如：采用多個(gè)ASIC的嵌入式系統或雙核單板計算機)都采用隔離磚式轉換器，將48V配電(背板)電壓轉換為穩定的3.3V系統總線(xiàn)電壓。這樣做有幾個(gè)原因：僅用3.3V總線(xiàn)，若選擇合適的DC/DC負載點(diǎn)(POL)轉換器，將3.3V電壓轉換為較低的電壓軌(2.5V、1.2V、1.0V、0.9V)給DDR存儲器、FPGA內核或收發(fā)器等供電，可以改善電路板(所有電路)的功耗;僅用一種總線(xiàn)電壓(3.3V)運行以簡(jiǎn)化電路設計，因為無(wú)需5V或12V內務(wù)處理電源，這種電源常常用來(lái)偏置較大功率的DC/DC POL穩壓器;將48V和24V電壓轉換至3.3V時(shí)，隔離磚式轉換器已經(jīng)提高了工作效率，而且輸出功率水平也越來(lái)越高。

　　當3.3V總線(xiàn)下游的負載需要超過(guò)5A而達到12A的電流時(shí)，挑戰便出現了。盡管這種需求似乎很少，但是FPGA、處理器和ASIC技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步已經(jīng)使設計人員能在更小的電路板中使用更多這類(lèi)器件來(lái)提高性能，而且越來(lái)越多的應用有了10A的負載要求。

　　最近有一個(gè)客戶(hù)要求，用3.3V輸入總線(xiàn)給1V電源軌供電，由該電源軌提供30A電流。但是，傳統的帶N溝道MOSFET的低輸入電壓大功率開(kāi)關(guān)模式DC/DC轉換器依靠二次穩壓器(內務(wù)處理)電路來(lái)提供高于總線(xiàn)的VIN電壓，用于MOSFET柵極驅動(dòng)。這增大了布局的復雜性、尺寸和成本。當沒(méi)有5V電壓可用時(shí)，用3.3V輸入總線(xiàn)給負載提供大電流的效率非常地低。由此引起的過(guò)大功耗會(huì )提高穩壓器和周?chē)M件的結溫。其結果只有一個(gè)，就是減弱系統在壽命期內的可靠性。

　　解救辦法

　　LTM4611是一款扁平的微型模塊(μModule)降壓型開(kāi)關(guān)模式DC/DC轉換器，它采用緊湊的15mm×15mm×4.32mm LGA表貼封裝。開(kāi)關(guān)控制器、MOSFET、電感器和支持的元器件集成在封裝內，因而設計可簡(jiǎn)化為僅選用少量的外部元器件。LTM4611在1.5V至5.5V(最大絕對值為6V)的輸入電壓范圍內工作，從而適用于各種電源架構，尤其是數據存儲和RAID(獨立磁盤(pán)冗余陣列)系統、ATCA(先進(jìn)電信計算架構)和網(wǎng)絡(luò )卡應用的電源。在這類(lèi)電源架構中，一個(gè)或多個(gè)常見(jiàn)的總線(xiàn)電壓是5V、3.3V、2.8V和/或2.5V.

　　由于配電損耗(電壓降)和相對較高的總線(xiàn)電流相關(guān)，總線(xiàn)電壓低于2.5V的情況并不常見(jiàn)。盡管如此，在那些在短暫或持續的電氣事件引起輸入總線(xiàn)電壓下降時(shí)，負載電壓又恰好需要精確調節的應用中，LTM4611可依靠1.5V輸入為其負載提供滿(mǎn)功率的能力卻仍然特別有利。系統總線(xiàn)上的瞬態(tài)事件一般會(huì )因電機、換能器、除纖顫器的運作或微控制器工作速率的提升而出現。系統分布式總線(xiàn)上的故障事件有可能使總線(xiàn)電壓下降，但仍然高于1.5V.由于LTM4611在輸入低至1.5V的情況下仍可提供滿(mǎn)功率，因而可考慮將其用于任務(wù)關(guān)鍵型的醫療和工業(yè)儀器(這些儀器對正常運行時(shí)間及總線(xiàn)電壓下降的穿越能力具有最高標準)。甚至在電源瀕臨崩潰(例如那些由公用事業(yè)智能電表負責監測的系統電源突然意外缺失)的過(guò)程中，LTM4611亦能為負載提供精確調節的電源。這種情況下非常希望有后備電池或超級電容器提供衰減電壓，盡可能長(cháng)時(shí)間地供電。

　　LTM4611能在低至1.5V電壓下工作的另一個(gè)優(yōu)勢是，隨著(zhù)今天電源系統中電壓軌數量增多，印刷電路板(PCB)中銅層數目也在增多，從而有效地向負載發(fā)送(分配)功率?？紤]一個(gè)假設的例子：如果不增加PCB中的銅層數目，那么將很難將分布式3.3V總線(xiàn)電壓發(fā)送給3.3V至1.5V和3.3V至1.2V DC/DC轉換器?，F在可采用另一種方式：用一個(gè)LTM4611將3.3V總線(xiàn)電壓轉換為分布式1.5V銅層電壓，再采用另一個(gè)LTM4611將該1.5V銅層電壓高效地轉換為POL的1.2V電壓。結果主板上總體解決方案的尺寸相當具有吸引力，同時(shí)還無(wú)需將3.3V總線(xiàn)電壓發(fā)送到PCB的所有部分。在PCB制造過(guò)程中能盡量減少銅層數目則有望節省成本和材料，并有利于PCB的批量生產(chǎn)和可靠性的提高。

　　自發(fā)生偏置電源

　　LTM4611無(wú)需采用輔助偏置電源為其內部控制IC或MOSFET驅動(dòng)電路供電，它可依靠輸入電源產(chǎn)生其自己的低偏置電源。該內部偏置電源使得LTM4611能夠采用低至1.5V的輸入電壓工作，從而可在所有線(xiàn)路電壓條件下給其功率MOSFET提供強大的柵極驅動(dòng)信號，同時(shí)，也使其在使用5V、3.3V或更低總線(xiàn)電壓的系統中能夠實(shí)現高效率。LTM4611背后是一種降壓轉換器拓撲，該拓撲負責對其輸入電壓進(jìn)行降壓，以向其輸出端提供低至0.8V的電壓和高達15A的連續電流。通過(guò)正確選擇輸入電源(取決于電源的動(dòng)態(tài)特性和瞬態(tài)負載響應)和局部旁路電容，可在15A負載條件下實(shí)現一個(gè)低于0.3V的輸入至輸出電壓降。LTM4611采用一種固定頻率峰值電流模式控制降壓轉換器方案，默認的工作頻率為500kHz.也可選用電阻器引腳搭接LTM4611的PLLFLTR/Fset引腳的方法，將開(kāi)關(guān)頻率調整至介于330kHz和780kHz之間，或者通過(guò)其MODE_PLLIN引腳將開(kāi)關(guān)頻率同步到360kHz至710kHz的時(shí)鐘信號。

　　多個(gè)電源均流以提供大輸出電流

　　LTM4611支持4個(gè)模塊的均流，以實(shí)現輸出電流高達60A的解決方案。甚至可并聯(lián)更多的模塊以提供更高的輸出電流。電流模式控制使得模塊的均流格外可靠和易于實(shí)現，并可確保啟動(dòng)、瞬態(tài)和穩態(tài)操作情況下模塊之間的均流。

　　與此不同，許多電壓模式模塊則是通過(guò)采用主從配置或"壓降均分"(也被稱(chēng)為"負載線(xiàn)路均分")來(lái)實(shí)現均流。在啟動(dòng)和瞬態(tài)負載條件下，主從配置容易遭受討厭的過(guò)流跳變，而壓降均分則會(huì )導致負載調節指標下降，且在瞬態(tài)負載階躍期間幾乎無(wú)法保證優(yōu)良的模塊至模塊電流匹配。

　　從無(wú)負載到滿(mǎn)負載時(shí)，LTM4611一般能提供優(yōu)于0.2%的負載調節，而其在-40℃至125℃的整個(gè)內部模塊溫度范圍內的最大值為0.5%.

　　易于實(shí)現POL應用

　　圖1所示方框圖顯示，LTM4611在1.8V至5.5V的輸入范圍內工作，以高達15A的電流提供1.5V輸出。輸出電壓可用VFB和GND之間的單電阻器設定?？刂骗h(huán)路驅動(dòng)功率MOSFET和輸出電壓，以便VFB等于較低的0.8V或TRACK/SS引腳上的電壓。當該模塊的RUN引腳超過(guò)1.22V(±10%)時(shí)，TRACK/SS引腳上的軟啟動(dòng)電容器CSS設定LTM4611輸出的啟動(dòng)速率。CSS用于確保單調的輸出電壓波形啟動(dòng)，和支持平滑上電進(jìn)入預偏置輸出電壓狀態(tài)。另一個(gè)電源軌的電阻分壓器可以加到TRACK/SS引腳，以設定LTM4611輸出軌對基準電源軌一致或成比例的跟蹤。當為那些在系統上電及斷電期間具有嚴格的電源軌跟蹤要求的數字設備供電時(shí)，這項特性非常便利。

　　圖1 LTM4611的簡(jiǎn)化方框圖和典型應用。

　　遠程采樣實(shí)現準確的POL調節

　　常規上，大電流低電壓FPGA、ASIC和微處理器都要求在POL終端(通常是Vdd和Dgnd引腳)上提供精確調節到標稱(chēng)VOUT ±3%(或更好)的極其準確的電壓。在輸出電壓低于3.7V時(shí)，這是最難做到的。為了滿(mǎn)足這種調節要求，LTM4611提供了一個(gè)單位增益緩沖器，以對負載終端處的輸出電壓進(jìn)行遠程檢測。

　　PCB中VOUT和GND銅層之間的壓降不可避免，這是由物理上存在于模塊和負載之間的電阻性分配損耗所造成的。如圖1所示，POL兩端(VOSNS+減去VOSNS-)的差分反饋信號在DIFF_VOUT端相對于該模塊的局部地SGND被重構，從而使控制環(huán)路能夠補償在模塊輸出引腳與POL器件之間的供電通路中產(chǎn)生的任何壓降。

　　LTM4611包括一個(gè)輸出電壓"電源良好"(PGOOD)指示引腳，當輸出電壓在VOUT標稱(chēng)值的±7.5%以?xún)葧r(shí)，該引腳提供一個(gè)邏輯高電平開(kāi)漏信號;否則，PGOOD被拉至邏輯低電平。LTM4611提供折返電流限制，以保護自身和上游電源免受其輸出端故障的影響。LTM4611還包括一種輸出過(guò)壓保護功能：當輸出電壓超過(guò)標稱(chēng)值的107.5%時(shí)，內部低壓端MOSFET導通，直到過(guò)壓情況清除為止。

　　你的系統有多環(huán)保?

　　DC/DC電源的轉換效率和熱管理在今日與往時(shí)同樣重要。LTM4611采用耐熱增強型LGA(焊盤(pán)網(wǎng)格陣列)封裝，以小焊盤(pán)布局(僅15mm×15mm)和小物理體積(僅4.32mm高，占用1cm3的空間)提供了極具吸引力的高效率。圖2顯示了LTM4611在各種輸入和輸出電壓組合情況下的效率。除了高效率之外，在給定的輸入電壓和輸出負載條件下，LTM4611的功耗曲線(xiàn)相對平坦。這使LTM4611的熱設計和在后續產(chǎn)品中的重復使用變得簡(jiǎn)單易行，即使在電源軌電壓由于IC芯片不斷縮小而日益下降的情況下也不例外。

　　圖2:在不同的輸入和輸出電壓情況下，LTM4611的效率隨負載電流的變化。

　　就越來(lái)越多的應用而言，降低輕載時(shí)的功耗與降低重載時(shí)的