- 討論負載點消費類電子設(shè)備的電源管理解決方案
- 針對內(nèi)核與I/O上電時序提供建議的時序指南
- 使用高阻抗鋁電容或低阻抗陶瓷輸出大電容
技術(shù)進步
由于更高的集成度、更快的處理器運行速度以及更低的價格目標(biāo)，針對數(shù)字電視、線纜調(diào)制解調(diào)器以及機頂盒的負載點(POL)處理器電源設(shè)計變得越來越具挑戰(zhàn)性。多年來，隨著集成度的提高和工藝技術(shù)的進步，設(shè)計旨在用于消費類電子應(yīng)用的數(shù)字處理器和模擬ASIC受益匪淺。現(xiàn)在，工藝技術(shù)的進步也可用于現(xiàn)成的負載點電源管理電路。本文將討論一些電源管理設(shè)計所面臨的挑戰(zhàn)，如：選擇最佳的輸出電容、解決排序問題以及最少化部件數(shù)量等問題。為了解決這些問題，通過利用可保持系統(tǒng)低成本的電源管理器件工藝技術(shù)的進步，TI開發(fā)出了一款新型雙通道、降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。現(xiàn)在只需要電源設(shè)計的基礎(chǔ)知識就可以設(shè)計出一款高性能電源，從而使設(shè)計師將主要精力放在其他重要方而，以使其消費類電子產(chǎn)品更成功、成本更低而且功能更強大。
非便攜式消費類電子設(shè)備都是由不同類型的AC/DC電源供電的。例如：線纜調(diào)制解調(diào)器是由一個簡單的墻上適配器供電的，而液晶電視則在其機殼中集成了一個具有功率因數(shù)校正(PFC)功能的、可提供數(shù)百瓦功率的比較復(fù)雜的電源。在上述每個AC/DC電源中，根據(jù)具有較大負載電流的系統(tǒng)所需要的最高DC電壓，AC電源可轉(zhuǎn)換為常見的DC電壓，如：5V、12V或24V。其負載可以是線驅(qū)動器、冷陰極燈管(CCFL)背光逆變器或凋諧器模塊。
對于消費類應(yīng)用而言，將兩個電源集成到一個芯片上，并采用低引腳數(shù)量的小型封裝具有諸多好處。大多數(shù)消費類應(yīng)用都需要多個低電壓軌來為邏輯電路供電。在這些應(yīng)用中，雙通道轉(zhuǎn)換器可以將單個控制器和兩個轉(zhuǎn)換器的MOSFET組合在一個緊湊型器件中。許多ASIC和處理器都需要內(nèi)核電壓和I/O電壓，這可能存在排序要求。一款雙通道輸出DC/DC轉(zhuǎn)換器可以將電路集成，以實現(xiàn)輸出電壓排序要求的輕松實施。減少DC/DC轉(zhuǎn)換器的數(shù)量可以從多方面節(jié)約成本，例如：由于在電路板上焊接組件數(shù)量的減少，從而加速了產(chǎn)品上市進程，簡化了設(shè)計、降低了采購限制并提高了可靠性。
要使雙通道、高電流DC/DC轉(zhuǎn)換器成為現(xiàn)實的技術(shù)需要考慮諸多設(shè)計因素。由于在一個封裝中包含了兩個轉(zhuǎn)換器，所以要保持器件的低功耗就是一個很人的挑戰(zhàn)。如欲實現(xiàn)較小的電路面積，低阻抗MOSFET的集成至關(guān)重要，但同時還要滿足轉(zhuǎn)換器封裝的散熱要求。不幸的是，降低電源MOSFET的導(dǎo)通電阻就意味著增大硅裸片的面積，此舉會增加芯片的尺寸和成本。DC/DC轉(zhuǎn)換器廠商經(jīng)常面臨著這樣進退兩難的僵局：要么縮小MOSFET的尺寸以滿足芯片小型封裝的要求，要么增大MOSFET的尺寸以降低功耗并提高效率。借助一流的工藝技術(shù)，TPS54386在尺寸與效率之間實現(xiàn)了平衡――小型14引腳HTSSOP封裝中每個MOSFET的導(dǎo)通電阻為85mΩ。對于消費類電子設(shè)計師來說，將同類競爭產(chǎn)品寬輸入電壓范圍的DC/DC轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通電阻進行比較，并對其效率進行測量以確保獲得最佳值是個不錯的想法。圖1顯示了一款用于雙通通道輸出DC/DC轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用電路，該轉(zhuǎn)換器具有集成的高壓側(cè)MOSFET。
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雖然使用雙通道轉(zhuǎn)換器有諸多好處，但相似的單通道DC/DC轉(zhuǎn)換器通常也有很廣的市場前景。當(dāng)兩個低壓輸出的目標(biāo)負載之間相隔很火的距離時，使用兩個單通道控制器要比使用一個雙通道轉(zhuǎn)換器好的多。在高電流的情況下，PWB線跡的電阻會降低負載的輸出電壓。這樣就會影響電源的穩(wěn)壓精度和功耗。在完成電路布局之前，對電路板做一個精心的規(guī)劃有助于確定是采用一個雙通道轉(zhuǎn)換器，還是采用兩個單通道轉(zhuǎn)換器更好些。
排序
越來越多的處理器廠商開始針對內(nèi)核與I/O上電時序提供建議的時序指南。除了可以滿足內(nèi)核與I/O上電時序要求以外，對電源進行排序還有助于降低啟動時的浪涌電流。當(dāng)多個電源軌同時啟動時，對主電源就提出了更高的要求。如果在大電流充電(charging bulk)時伴隨著電流消耗(current draw)，且旁路電容非常大，那么主電源可能會跳變至電流限制設(shè)置值，從而導(dǎo)致其關(guān)斷。交錯電壓軌有助于最少化與浪涌電流有關(guān)的問題。為了解決這些問題，圖1所示的雙通道轉(zhuǎn)換器提供了單獨開啟的引腳，以適應(yīng)具體的啟動順序。在向電源輸入引腳施加電壓以后，可能會使用一個與啟動引腳相連的R-C電路來延遲相關(guān)輸出的開啟。此外，排序引腳還允許用戶選擇順序排序或比例排序。對于比例排序而言，每個輸出端都會在進入穩(wěn)壓的同時，以最終輸出電壓決定的比例斜坡上升(見圖2)。而對于順序排序而言，當(dāng)一個輸山端實現(xiàn)穩(wěn)壓以后，另一個輸出端才開始啟動。通過SEQ引腳，用戶可以對其中的任何一個輸出端進行編程，以使輸出端先完成斜坡上升。如果需要的話，開啟引腳可以實現(xiàn)單獨轉(zhuǎn)換。
近年來，將兩個輸出電壓轉(zhuǎn)換為異相的技術(shù)得到廣泛青睞。實現(xiàn)兩個獨立電壓穩(wěn)壓器在一個系統(tǒng)中的運行可以共享一個輸入電容，并以單個轉(zhuǎn)換器頻率2倍的比例吸收(draw)紋波電流。當(dāng)以180°的相位差運行這兩個電壓穩(wěn)壓器時，總RMS輸入電流被降低了，從而減少了所需輸入電容的數(shù)量。在此情況下，振蕩器頻率也實現(xiàn)了內(nèi)部穩(wěn)定(該頻率是轉(zhuǎn)換頻率的2倍)。這兩個輸出端在內(nèi)部實現(xiàn)了交互轉(zhuǎn)換周期運行(即以180°的相位差運行)。該技術(shù)減少了大體積電容的數(shù)量，因此降低了系統(tǒng)成本。此外，通過消除兩個轉(zhuǎn)換器之間的拍頻(beatfrequency)，同步技術(shù)還減少了EMI。
DC/DC轉(zhuǎn)換器可以用來實施反饋網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)部或外部補償。外部補償提供了選擇各種電感與電容組合的靈活性，但是對于那些不擅長模擬設(shè)計的數(shù)字設(shè)計師來說，控制環(huán)路補償與穩(wěn)定性判斷標(biāo)準(zhǔn)無疑是非常麻煩的。在此方法中，首先是要選擇LC濾波器，然后再決定補償網(wǎng)絡(luò)。內(nèi)部補償不但簡化了設(shè)計，而且減少了外部組件的數(shù)量，但是設(shè)計師必須在一定的LC組件范圍內(nèi)進行選擇。因此，必須選擇適當(dāng)?shù)腖C濾波器，以保持穩(wěn)定性。為了降低設(shè)計和生產(chǎn)成本，該轉(zhuǎn)換器集成了補償組件。這樣就可以在提供選擇電感和輸出電容值靈活性的同時，減少組件的總數(shù)量。
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使用高阻抗鋁電容或低阻抗陶瓷輸出大電容
由于成本較低，鋁電解質(zhì)電容在消費類電子領(lǐng)域非常受歡迎。鋁電解質(zhì)電容具有相對較高的等效串聯(lián)電阻(ESR)，其阻值隨著溫度的改變會發(fā)生很大的變化，但是可提供大電容。為了降低總ESR(隨之而來的是降低輸出紋波電壓)，必須將若干個鋁電解質(zhì)電容并聯(lián)起來，這樣會占用較多的空間。而相對較小的陶瓷電容則可以和鋁電容并聯(lián)，以降低紋波電壓。無論采用哪種方法，都必須對功率級進行適當(dāng)?shù)难a償。有了內(nèi)部補償組件的幫助，如果在輸出濾波器中采用了一個高ESR電容，那么在環(huán)路響應(yīng)中就會引入一個零點，這樣會導(dǎo)致環(huán)路的不穩(wěn)定。通過引入一個極點(該極點的單個小型陶瓷電容與較低的分壓電阻并聯(lián))，該零點可以被輕松地去除。
最新的陶瓷電容技術(shù)已將電容值大大提高，并降低了成本。低ESR陶瓷電容將被用于較高的轉(zhuǎn)換頻率，并且是鋁電解質(zhì)電容的替代解決方案。在使用具有內(nèi)部補償器件的低ESR陶瓷電容時，需要在反饋網(wǎng)絡(luò)中添加一個零點以減小交叉頻率(crossover frcquency)處的增益斜坡，并提供一個相位升壓。可以通過將一個小型電容與上面的分壓電阻井聯(lián)來添加一個零點。
結(jié)語
元器件集成度的提高使數(shù)字設(shè)計師可以專注于主要工作，而將更多的設(shè)計任務(wù)留給電源芯片廠商。通過在一個芯片上集成多個轉(zhuǎn)換器、集成排序方案并使用低成本濾波器，DC/DC轉(zhuǎn)換器廠商實現(xiàn)了多種功能的集成，從而降低了成本和復(fù)雜度。
