- 討論負載點(diǎn)消費類(lèi)電子設備的電源管理解決方案
- 針對內核與I/O上電時(shí)序提供建議的時(shí)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(jìn)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(jià)格目標，針對數字電視、線(xiàn)纜調制解調器以及機頂盒的負載點(diǎn)(POL)處理器電源設計變得越來(lái)越具挑戰性。多年來(lái)，隨著(zhù)集成度的提高和工藝技術(shù)的進(jìn)步，設計旨在用于消費類(lèi)電子應用的數字處理器和模擬ASIC受益匪淺?，F在，工藝技術(shù)的進(jìn)步也可用于現成的負載點(diǎn)電源管理電路。本文將討論一些電源管理設計所面臨的挑戰，如：選擇最佳的輸出電容、解決排序問(wèn)題以及最少化部件數量等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，通過(guò)利用可保持系統低成本的電源管理器件工藝技術(shù)的進(jìn)步，TI開(kāi)發(fā)出了一款新型雙通道、降壓DC/DC轉換器?，F在只需要電源設計的基礎知識就可以設計出一款高性能電源，從而使設計師將主要精力放在其他重要方而，以使其消費類(lèi)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(lèi)電子設備都是由不同類(lèi)型的AC/DC電源供電的。例如：線(xiàn)纜調制解調器是由一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)具有功率因數校正(PFC)功能的、可提供數百瓦功率的比較復雜的電源。在上述每個(gè)AC/DC電源中，根據具有較大負載電流的系統所需要的最高DC電壓，AC電源可轉換為常見(jiàn)的DC電壓，如：5V、12V或24V。其負載可以是線(xiàn)驅動(dòng)器、冷陰極燈管(CCFL)背光逆變器或凋諧器模塊。
對于消費類(lèi)應用而言，將兩個(gè)電源集成到一個(gè)芯片上，并采用低引腳數量的小型封裝具有諸多好處。大多數消費類(lèi)應用都需要多個(gè)低電壓軌來(lái)為邏輯電路供電。在這些應用中，雙通道轉換器可以將單個(gè)控制器和兩個(gè)轉換器的MOSFET組合在一個(gè)緊湊型器件中。許多ASIC和處理器都需要內核電壓和I/O電壓，這可能存在排序要求。一款雙通道輸出DC/DC轉換器可以將電路集成，以實(shí)現輸出電壓排序要求的輕松實(shí)施。減少DC/DC轉換器的數量可以從多方面節約成本，例如：由于在電路板上焊接組件數量的減少，從而加速了產(chǎn)品上市進(jìn)程，簡(jiǎn)化了設計、降低了采購限制并提高了可靠性。
要使雙通道、高電流DC/DC轉換器成為現實(shí)的技術(shù)需要考慮諸多設計因素。由于在一個(gè)封裝中包含了兩個(gè)轉換器，所以要保持器件的低功耗就是一個(gè)很人的挑戰。如欲實(shí)現較小的電路面積，低阻抗MOSFET的集成至關(guān)重要，但同時(shí)還要滿(mǎn)足轉換器封裝的散熱要求。不幸的是，降低電源MOSFET的導通電阻就意味著(zhù)增大硅裸片的面積，此舉會(huì )增加芯片的尺寸和成本。DC/DC轉換器廠(chǎng)商經(jīng)常面臨著(zhù)這樣進(jìn)退兩難的僵局：要么縮小MOSFET的尺寸以滿(mǎn)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(shí)現了平衡――小型14引腳HTSSOP封裝中每個(gè)MOSFET的導通電阻為85mΩ。對于消費類(lèi)電子設計師來(lái)說(shuō)，將同類(lèi)競爭產(chǎn)品寬輸入電壓范圍的DC/DC轉換器的導通電阻進(jìn)行比較，并對其效率進(jìn)行測量以確保獲得最佳值是個(gè)不錯的想法。圖1顯示了一款用于雙通通道輸出DC/DC轉換器的典型應用電路，該轉換器具有集成的高壓側MOSFET。
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雖然使用雙通道轉換器有諸多好處，但相似的單通道DC/DC轉換器通常也有很廣的市場(chǎng)前景。當兩個(gè)低壓輸出的目標負載之間相隔很火的距離時(shí)，使用兩個(gè)單通道控制器要比使用一個(gè)雙通道轉換器好的多。在高電流的情況下，PWB線(xiàn)跡的電阻會(huì )降低負載的輸出電壓。這樣就會(huì )影響電源的穩壓精度和功耗。在完成電路布局之前，對電路板做一個(gè)精心的規劃有助于確定是采用一個(gè)雙通道轉換器，還是采用兩個(gè)單通道轉換器更好些。
排序
越來(lái)越多的處理器廠(chǎng)商開(kāi)始針對內核與I/O上電時(shí)序提供建議的時(shí)序指南。除了可以滿(mǎn)足內核與I/O上電時(shí)序要求以外，對電源進(jìn)行排序還有助于降低啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。當多個(gè)電源軌同時(shí)啟動(dòng)時(shí)，對主電源就提出了更高的要求。如果在大電流充電(charging bulk)時(shí)伴隨著(zhù)電流消耗(current draw)，且旁路電容非常大，那么主電源可能會(huì )跳變至電流限制設置值，從而導致其關(guān)斷。交錯電壓軌有助于最少化與浪涌電流有關(guān)的問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，圖1所示的雙通道轉換器提供了單獨開(kāi)啟的引腳，以適應具體的啟動(dòng)順序。在向電源輸入引腳施加電壓以后，可能會(huì )使用一個(gè)與啟動(dòng)引腳相連的R-C電路來(lái)延遲相關(guān)輸出的開(kāi)啟。此外，排序引腳還允許用戶(hù)選擇順序排序或比例排序。對于比例排序而言，每個(gè)輸出端都會(huì )在進(jìn)入穩壓的同時(shí)，以最終輸出電壓決定的比例斜坡上升(見(jiàn)圖2)。而對于順序排序而言，當一個(gè)輸山端實(shí)現穩壓以后，另一個(gè)輸出端才開(kāi)始啟動(dòng)。通過(guò)SEQ引腳，用戶(hù)可以對其中的任何一個(gè)輸出端進(jìn)行編程，以使輸出端先完成斜坡上升。如果需要的話(huà)，開(kāi)啟引腳可以實(shí)現單獨轉換。
近年來(lái)，將兩個(gè)輸出電壓轉換為異相的技術(shù)得到廣泛青睞。實(shí)現兩個(gè)獨立電壓穩壓器在一個(gè)系統中的運行可以共享一個(gè)輸入電容，并以單個(gè)轉換器頻率2倍的比例吸收(draw)紋波電流。當以180°的相位差運行這兩個(gè)電壓穩壓器時(shí)，總RMS輸入電流被降低了，從而減少了所需輸入電容的數量。在此情況下，振蕩器頻率也實(shí)現了內部穩定(該頻率是轉換頻率的2倍)。這兩個(gè)輸出端在內部實(shí)現了交互轉換周期運行(即以180°的相位差運行)。該技術(shù)減少了大體積電容的數量，因此降低了系統成本。此外，通過(guò)消除兩個(gè)轉換器之間的拍頻(beatfrequency)，同步技術(shù)還減少了EMI。
DC/DC轉換器可以用來(lái)實(shí)施反饋網(wǎng)絡(luò )中的內部或外部補償。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(cháng)模擬設計的數字設計師來(lái)說(shuō)，控制環(huán)路補償與穩定性判斷標準無(wú)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 )。內部補償不但簡(jiǎn)化了設計，而且減少了外部組件的數量，但是設計師必須在一定的LC組件范圍內進(jìn)行選擇。因此，必須選擇適當的LC濾波器，以保持穩定性。為了降低設計和生產(chǎn)成本，該轉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(shí)，減少組件的總數量。
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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(lèi)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(zhù)溫度的改變會(huì )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(lái)的是降低輸出紋波電壓)，必須將若干個(gè)鋁電解質(zhì)電容并聯(lián)起來(lái)，這樣會(huì )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(wú)論采用哪種方法，都必須對功率級進(jìn)行適當的補償。有了內部補償組件的幫助，如果在輸出濾波器中采用了一個(gè)高ESR電容，那么在環(huán)路響應中就會(huì )引入一個(gè)零點(diǎn)，這樣會(huì )導致環(huán)路的不穩定。通過(guò)引入一個(gè)極點(diǎn)(該極點(diǎn)的單個(gè)小型陶瓷電容與較低的分壓電阻并聯(lián))，該零點(diǎn)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。在使用具有內部補償器件的低ESR陶瓷電容時(shí)，需要在反饋網(wǎng)絡(luò )中添加一個(gè)零點(diǎn)以減小交叉頻率(crossover frcquency)處的增益斜坡，并提供一個(gè)相位升壓?？梢酝ㄟ^(guò)將一個(gè)小型電容與上面的分壓電阻井聯(lián)來(lái)添加一個(gè)零點(diǎn)。
結語(yǔ)
元器件集成度的提高使數字設計師可以專(zhuān)注于主要工作，而將更多的設計任務(wù)留給電源芯片廠(chǎng)商。通過(guò)在一個(gè)芯片上集成多個(gè)轉換器、集成排序方案并使用低成本濾波器，DC/DC轉換器廠(chǎng)商實(shí)現了多種功能的集成，從而降低了成本和復雜度。
