利用負載點(diǎn)調節功能提高機頂盒設計的性能

　　有線(xiàn)電視和衛星廣播內容提供商正在不斷向激烈競爭的市場(chǎng)推出新業(yè)務(wù)。這些新業(yè)務(wù)包括互聯(lián)網(wǎng)接入、視頻點(diǎn)播、支持 DVD/CD 播放器和硬盤(pán)驅動(dòng)器等，這正在使簡(jiǎn)單的機頂盒(STB)逐步發(fā)展成為功能強大的家庭網(wǎng)關(guān)。這些先進(jìn)的機頂盒在家中形成了一個(gè)局域網(wǎng)(LAN)。

　　因此，機頂盒一般有以太網(wǎng)或 火線(xiàn)端口，或采用其它通信方式，甚至可能是藍牙。這些更加復雜的機頂盒反過(guò)來(lái)又需要消耗更多功率。隨著(zhù)這些系統消耗功率的提高，系統設計師對于溫度上升、產(chǎn)品上市時(shí)間、效率、監管機構批準、成本、上電順序和功率因數校正(PFC)等問(wèn)題也越來(lái)越擔憂(yōu)了。

　　消除這些擔憂(yōu)的一種方法是將電源架構從傳統的多路輸出反激式電源改為較高性能、更加靈活并具有負載點(diǎn)(POL)穩壓器的分布式電源架構。目前大多數機頂盒采用離線(xiàn)式多路輸出反激式電源架構。這些電源提供 30W 功率，轉換效率最高為 65%。先進(jìn)的機頂盒電源采用單一分布式直流電壓(如12V)提供高達 65W 功率，并采用下游負載點(diǎn)穩壓器，整體轉換效率高達 80%。

　　內容提供商提供的服務(wù)決定了機頂盒的特點(diǎn)，如處理器功耗、調制解調器速度、傳輸介質(zhì)、是否包括 DVD 播放器或硬盤(pán)驅動(dòng)器以及 I/O 端口數量。機頂盒的標準架構是基于外部設備計算機接口(PCI)總線(xiàn)，從表面看與筆記本式 PC 類(lèi)似。不過(guò)，盡管 PC 架構全世界相同，但是不同地區甚至不同制造商的機頂盒架構變化卻很大。當然，由于消費者的需求容易改變，因此隨著(zhù)服務(wù)的不斷變化，機頂盒配置也在不斷變化之中。功能決定對電源的要求，而且唯一明顯的趨勢是系統功耗在提高。服務(wù)提供商之間的競爭和地區差別意味著(zhù)，讓機頂盒按時(shí)上市有相當大的壓力。由于電源設計導致延遲交貨是無(wú)法容忍的，因為這可能丟失市場(chǎng)份額。

　　機頂盒電源要求在設計周期后期發(fā)生變化是常見(jiàn)的。然而，最不希望發(fā)生的事情就是由于電源而推遲機頂盒的開(kāi)發(fā)進(jìn)度，但是如果需要采用離線(xiàn)式多路輸出反激式電源，就有可能發(fā)生這種情況。設計這樣一個(gè)電源并在安全性和 EMI 性能方面獲得監管當局批準可能需要 6 到 9 個(gè)月時(shí)間，甚至長(cháng)達一年。采用多路輸出反激式設計，后期變化可能導致必須長(cháng)時(shí)間反復設計磁性元件。因此，在某些情況下，絕望的設計師會(huì )增加二極管壓降，以適應最后出現的輸出電壓或電流需求的變化。

　　標準現售交流輸入(90V 至 264V 交流)單輸出電源的優(yōu)點(diǎn)是采用安全部門(mén)和 EMI 監管當局批準的電源。這些電源用 3.3V 至 48V 的單一輸出電壓實(shí)現高達 90% 的電源轉換效率。另外，標準現售單輸出電源價(jià)格不貴，提供幾種尺寸，大批量生產(chǎn)，適合很多應用。使用這種電源可以將開(kāi)發(fā)周期縮短 6 個(gè)月。即使功率最大值提高也沒(méi)關(guān)系，因為考慮到可能需要更高功率，設計師從開(kāi)始伊始就可以計劃出 20% 至 30% 的冗余量，這不會(huì )提高很多成本或占用很多電路板面積。

　　調節功能提高機頂盒設計的性能" />

　　圖1：在 7V至24V電源范圍內工作的雙路 3.3V/2.5V輸出LTC3850應用原理圖。

　　功率因數校正是影響機頂盒電源的另一個(gè)問(wèn)題。IEC/EN61000-3-2 規范對輸入功率大于等于75W的供電系統有諧波電流幅射的限制。實(shí)際上，輸入功率超過(guò) 75W 時(shí)，這個(gè)規范要求額外的電路。效率為 65% 的多路輸出反激式電源可在不需要額外功率因數校正電路時(shí)提供 49W 的最大輸出功率。效率達 90%的分布式電源與效率為 90% 至 95% 的下游負載點(diǎn)穩壓器結合起來(lái)無(wú)需功率因數校正電路就可提供 60W 至 64W 功率。較高效率的明顯好處是減少熱量、減少通風(fēng)要求并延長(cháng)平均故障間隔(MTBF)時(shí)間。

　　凌力爾特公司提供了完整的高效率同步負載點(diǎn) DC/DC 開(kāi)關(guān)穩壓器系列產(chǎn)品，包括模塊、單片電路和控制器。LTC3850 是最近推出的雙輸出負載點(diǎn) DC/DC 開(kāi)關(guān)穩壓器控制器，能以 95% 的效率將 12V 轉換成 5V/5A，或以 92% 的效率將 12V 轉換成 3.3V/5A以及以 91% 的效率將 12V 轉換成 2.5V/5A。

　　LTC3850 是一個(gè)雙路輸出同步降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器控制器，可以驅動(dòng) 所有N 溝道功率MOSFET 級電路。其 4V 至 24V 的輸入范圍適用于多種應用，其中包括大多數中間總線(xiàn)電壓應用。強大的片上驅動(dòng)器允許使用大功率外部 N 溝道 MOSFET，可以輸出0.8V 至 5.5V的電壓，同時(shí)提供高達 20A 的輸出電流。

　　雙路輸出、具有DCR檢測功能的5A穩壓器

　　圖1所示是一種基于 LTC3850 的電路，該電路在 7V 至 24V 的輸入范圍內工作，開(kāi)關(guān)頻率為 530kHz，無(wú)需電流檢測電阻，提供 2.5V/5A 和 3.3V/5A 的獨立輸出。通過(guò)將電感器的直流電阻用作電流檢測單元，該應用電路在滿(mǎn)負載電流時(shí)消耗可能最低的功率。效率高于 90%，效率曲線(xiàn)如圖2所示。

　　圖2：圖1電路的效率曲線(xiàn)。

　　跟蹤的益處

　　跟蹤提供了向上或向下調整輸出電源的可預測方法。跟蹤過(guò)程中一般會(huì )保持反饋電壓低于內部基準電壓或 TRACK 引腳上的電壓。LTC3850 更進(jìn)一步，在一個(gè)引腳中組合了每個(gè)通道的跟蹤和軟啟動(dòng)功能(TK/SS 引腳)，并按照 TK/SS 引腳的狀態(tài)定制開(kāi)關(guān)工作模式。圖 3 顯示了一致性跟蹤和比例性跟蹤曲線(xiàn)，無(wú)論那一種都可以用 LTC3850 配置。

　　圖 3：用 LTC3850 實(shí)現的兩種不同輸出電壓跟蹤模式。

　　快速瞬態(tài)響應

　　任何穩壓器反饋環(huán)路的穩定性都可以通過(guò)查看負載電流瞬態(tài)響應來(lái)檢查。開(kāi)關(guān)穩壓器需要幾個(gè)周期來(lái)響應輸出負載電流的突然變化或輸入電壓的變化。當出現階躍負載時(shí)，VOUT 的變化量等于 ?ILOAD乘以輸出電容器的 ESR，其中 ESR 是等效串聯(lián)電阻。?ILOAD 還開(kāi)始給 COUT 充電或放電，產(chǎn)生反饋誤差信號，強制穩壓器適應電流變化并讓 VOUT 返回穩定狀態(tài)值。在這個(gè)恢復過(guò)程中，可以監視 VOUT 是否有過(guò)度過(guò)沖或振鈴，從而指示是否有穩定性問(wèn)題。圖 4 顯示了圖 1 中 LTC3850 電路的瞬態(tài)響應?；謴瓦^(guò)程被很好地衰減了，對 50% 的負載變化穩定時(shí)間不到 50us。輸出電壓相對標稱(chēng)值的最大偏離可以通過(guò)增加輸出電容來(lái)減小。

　　圖 4：對應圖3電路的LTC3850瞬態(tài)響應。

　　輕負載工作

　　在重負載時(shí)，LTC3850 以恒定頻率 PWM 模式工作。在輕負載時(shí)，它可以在以下 3 種模式之間切換：連續、脈沖跳躍或突發(fā)模式(Burst Mode?)。突發(fā)模式工作在一個(gè)周期至幾個(gè)周期的脈沖串之間切換，輸出電容器在休眠間隔期間提供能量。這樣就可實(shí)現可能最高的輕負載效率。強制連續模式從無(wú)負載到滿(mǎn)負載一直處于 PWM 模式，可實(shí)現可能最低的輸出電壓紋波。脈沖跳躍模式以恒定頻率工作，但總是在允許電感器電流反向之前斷開(kāi)同步開(kāi)關(guān)。與突發(fā)模式工作相比，這種方法可以減少輕負載時(shí)的紋波，而與強制連續模式相比，則提高輕負載時(shí)的效率。

　　每個(gè)通道還具有單獨的 RUN 引腳，該引腳具有精確的 1.2V 接通門(mén)限。當 LTC3850 自己的電流源用來(lái)給軟啟動(dòng)電容器充電時(shí)，讓一個(gè)通道的 RUN 引腳電平變高，軟啟動(dòng)電容器就會(huì )在大約 80us 之內開(kāi)始充電。作為一種可選擇的方案， 當TK/SS 持續低電平時(shí)任一 RUN 引腳都可以保持高電平，從而保持內部 5V 穩壓器作為待機電源。這一功能可用來(lái)為喚醒電路供電，而喚醒電路控制了兩個(gè) TK/SS 引腳的狀態(tài)。

　　固定工作頻率/最短接通時(shí)間

　　LTC3850 的兩個(gè)通道不同相工作，因此降低了輸入 RMS 電流紋波并降低了輸入電容需求。開(kāi)關(guān)頻率可以在 250kHz 至 780kHz 的范圍內調節，或者用 FREQ/PLLFLTR 引腳上的電壓設置，也可以用鎖相環(huán)同步至輸入 MODE/PLLIN 引腳的外部時(shí)鐘。在高頻工作時(shí)，由于其頂部短開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間短，因此 LTC3850 能以低占空比正常工作。例如，一個(gè)以 700kHz 頻率工作的 15V 至 1.1V 轉換器要求最短接通時(shí)間小于

　　1.1V_ __ = 104ns

　　(15V)?(700kHz)

　　LTC3850 可以在僅為 90ns 的時(shí)間里使其強大的頂端柵極驅動(dòng)器工作一個(gè)周期，從而使這種低占空比應用成為現實(shí)。

　　檢測電流的兩種方法

　　LTC3850 具有一個(gè)完整的差分比較器，可用于檢測通過(guò)電感器的電流。SENSE+ 和 SENSE- 引腳可以連接到與電感器串聯(lián)的電流檢測電阻，或連接到一個(gè)與輸出電感器并聯(lián)的 RC 網(wǎng)絡(luò )，這樣就可跨電感器直流電阻(DCR 檢測)實(shí)現高能效檢測。DCR 檢測可以防止檢測電阻引起功率損耗，但是有 5% 至 10% 的典型嵌入誤差，這對大多數應用來(lái)說(shuō)是可以接受的。LTC3850 可以使用兩種方法中的任一種以實(shí)現設計靈活性，而且具有 3 個(gè)可通過(guò)引腳選擇的限流門(mén)限。

　　輸出短路時(shí)，LTC3850 逐個(gè)周期地限制峰值電流，以此保護輸入電源和電源組件。達到電感器峰值電流檢測門(mén)限 VSENSE(MAX)/RSENSE 的 130% 時(shí)，主 MOSFET 就會(huì )斷開(kāi)。VSENSE(MAX) 可以設置為 30mV、50mV 或 75mV，以實(shí)現多種輸出電流值。占空比對限流的影響非常小。就負載電流高于最大編程值但低于硬件短路電流值的情況而言，LTC3850 可以平滑地縮短頂端 MOSFET 的接通時(shí)間，降低輸出電壓。LTC3850 還保護自己免被欠壓輸入和過(guò)壓輸出電壓損壞。RUN 引腳可以 VIN 引腳上的分壓器為基準，以便用它們精確的門(mén)限值控制輸出狀態(tài)。如果輸出電壓比目標值高 7.5%，那么底部 MOSFET 可以保持接通直到恢復調節。如果允許 LTC3850 以接近輸出電壓編程值的輸入電壓工作，那么其占空比可以高達 97%。

　　LTC3850 采用小型 4mm x 4mm QFN-28(0.4mm 孔距)、4mm x 5mm QFN-28(0.5mm 孔距)或 28 引腳窄型 SSOP 封裝，功能十分豐富。該器件以高效率工作，可以采用或不采用 DCR 電流檢測。跟蹤、非?？斓捻憫獣r(shí)間、強大的片上 MOSFET 柵極驅動(dòng)器、兩相工作、外部同步和低成本允許 LTC3850 用于機頂盒和很多其它應用。

　　負載點(diǎn)調節比傳統多路輸出離線(xiàn)式定制反激式電源效率高，可以提高機頂盒設計的性能。負載點(diǎn)調節無(wú)需額外的功率因數校正電路就可實(shí)現較高的輸出功率，并通過(guò)使用監管機構批準的現售單輸出電源和高效率負載點(diǎn)下游穩壓器加快產(chǎn)品上市時(shí)間。LTC3850 功能豐富、效率高且封裝尺寸小，為機頂盒電源設計師提供了一種理想的解決方案。