【導(dǎo)讀】工業(yè)需求的提高促使業(yè)界對性能的提高以及功耗的降低顯的尤為迫切。但是不難發(fā)現(xiàn)的是，降壓型的解決方案仍然存在諸多挑戰(zhàn)。本文將為您詳解適用于高效率性能系統(tǒng)的低輸入電壓DC-DC架構(gòu)。
在許多場合中，此類系統(tǒng)內(nèi)部的大多數(shù)組件所需的最大輸入電壓如今僅為3.3V。在這種情況下，可以對傳統(tǒng)的5V或12V中間電壓軌進(jìn)行旁路，并將24VDC或48VDC背板分配電壓直接轉(zhuǎn)換為一個(gè) 3.3V的兩用總線和電源軌。很多高功率DC/DC磚式模塊供應(yīng)商 (例如：Emerson 和 TDK-Lambda 公司) 已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這一發(fā)展趨勢，他們通過大幅提升其在高降壓比操作中的性能輕松地實(shí)現(xiàn)了92%的效率指標(biāo)。利用該3.3V中間總線，后續(xù)的負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器可產(chǎn)生更低的電壓 (即：2.5V、1.2V、1.0V 等)，以用于給電源存儲(chǔ)器、ASIC/FPGA內(nèi)核及高速I/O等等供電。從中間總線進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換可提供另一項(xiàng)優(yōu)勢，就是可以減少印刷電路板(PCB)中用于完成電源軌至負(fù)載布線所需的銅箔層數(shù)。
以一塊具有一個(gè)僅用作中間總線的5V電壓軌的PCB為例，它包含兩個(gè)用于支持3.3V和1.8V電壓軌的DC/DC轉(zhuǎn)換器。采用一根3.3V中間總線和單個(gè)3.3V至1.2V轉(zhuǎn)換器重新設(shè)計(jì)的相同電路板將很有可能具有較少的銅箔層(3個(gè)電壓軌現(xiàn)減為 2個(gè))。在電路板上最終形成的總體解決方案其尺寸是極具吸引力的，同時(shí)免除了將5V電位傳送至PCB的某個(gè)完整部分的需要。在PCB的制造過程中盡可能減少銅箔層數(shù)的選項(xiàng)具有降低成本與節(jié)省材料的潛力，并有望改善良率及可靠性。
我們不難發(fā)現(xiàn)采用傳統(tǒng)的降壓型解決方案有著諸多的問題，由于開關(guān)穩(wěn)壓器或開關(guān)控制器需要一個(gè)大約5V的最小輸入電壓或偏置電壓，用于驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET。在電流傳導(dǎo)期間，需要利用該最小電壓將功率MOSFET驅(qū)動(dòng)至低導(dǎo)通電阻區(qū)域。對于改善工作效率 (特別是在網(wǎng)絡(luò)及存儲(chǔ)系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的大電流條件下) 的努力而言，導(dǎo)通電阻的任何增加都是不利的。對那些通過將中間軌電壓降至最低的組件輸入電源電壓 (比如3.3V) 以設(shè)法提高工作效率和降低生產(chǎn)成本的系統(tǒng)來說，所面臨的挑戰(zhàn)是如何最好地支持電流消耗通常僅為50mA~100mA的偏置電源 —— 增設(shè)一個(gè)5V輸出高電壓降壓型穩(wěn)壓器;增設(shè)一個(gè)升壓型轉(zhuǎn)換器 (從3.3V)；或者繼續(xù)使用現(xiàn)有的5V中間總線。在組件數(shù)目、設(shè)計(jì)工作量、PCB復(fù)雜性、可靠性、成本及工作效率方面，上述的選擇方案均需要采取一些令人不快的折衷措施。
如果有一種更好的替代解決方案，那就能夠提升相應(yīng)的效率和性能，這里我們提出一種可以使用的解決方案。這就是LTM4611降壓型μModule穩(wěn)壓器。該器件隸屬于一個(gè)新的DC/DC轉(zhuǎn)換器系列，是從傳統(tǒng)型開關(guān)電源管理解決方案發(fā)展而來，幾乎將開關(guān)轉(zhuǎn)換器的所有組件 (包括電感器) 都集成到了一個(gè)緊湊的表面貼裝型封裝之中。LTM4611電源模塊采用1.5V至5.5V的單工作輸入電壓軌，并將其降壓為一個(gè)低至0.8V的輸出電壓，且可提供高達(dá)15A的輸出電流。完全內(nèi)置于一個(gè)LGA封裝之內(nèi)的自生成偏置電源可支持從單個(gè)低電壓電源來運(yùn)作。從效率的觀點(diǎn)來證明傳統(tǒng)三級(jí)降壓架構(gòu)的合理性是非常棘手的，因?yàn)榉峙潆妷很壟c負(fù)載之間的每個(gè)降壓級(jí)的效率都必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于兩級(jí)解決方案。
對于越來越多的產(chǎn)品而言，相比于降低重負(fù)載時(shí)的功率損耗，減少輕負(fù)載時(shí)的功率損耗具有同等的重要性 —— 假如不說更重要的話。子系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成盡可能長地工作于較低功耗的待機(jī)或睡眠狀態(tài) (旨在節(jié)能)，并只在需要時(shí)候吸取峰值功率 (滿負(fù)載)。LTM4611支持脈沖跳躍模式和突發(fā)模式(Burst Mode)操作，與連續(xù)導(dǎo)通模式相比，其在低于3A負(fù)載電流條件下的效率水平有了大幅度的提升。
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它的出處優(yōu)勢為可以為多個(gè)電源的均流以提供60A或更大的輸出電流，這對于需要提供高達(dá)60A輸出的電源軌，可支持多達(dá)4個(gè)LTM4611 μModule穩(wěn)壓器的均流。電流模式控制使得模塊的均流特別可靠且易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在啟動(dòng)、瞬變及穩(wěn)態(tài)操作情況下甚至可以確保模塊之間的均流。相比之下，許多電壓模式模塊則是通過采用主-從配置或“壓降均分 (droop-sharing)”(也被稱為“負(fù)載線路均分”) 來實(shí)現(xiàn)均流。在啟動(dòng)和瞬態(tài)負(fù)載條件下，主-從模式容易遭受過流跳變，而壓降均分則會(huì)導(dǎo)致負(fù)載調(diào)節(jié)指標(biāo)下降，且在瞬態(tài)負(fù)載階躍期間幾乎無法保證優(yōu)良的模塊至模塊電流匹配。LTM4611通常可在無負(fù)載至滿負(fù)載范圍內(nèi)提供優(yōu)于0.2%的負(fù)載調(diào)節(jié)——在-40℃至125℃的整個(gè)內(nèi)部模塊溫度范圍內(nèi)則可達(dá)0.5% (最大值)。
然后他可以使負(fù)載上的穩(wěn)壓更加準(zhǔn)確，因?yàn)楦唠娏鞯碗妷篎PGA、ASIC、微處理器 (μP) 等常常需要在封裝端子(例如：VDD 和 DGND 引腳)上提供經(jīng)過精確調(diào)節(jié)的極其準(zhǔn)確的電壓 —— 標(biāo)稱VOUT的±3%(或更好)。在如此高的電流水平和低電壓電平下，PCB 走線中的阻性分配損耗有可能對負(fù)載上的電壓產(chǎn)生影響。為了滿足針對低輸出電壓的這一嚴(yán)格的穩(wěn)壓要求，LTM4611 提供了一個(gè)單位增益差分放大器，用于在電壓低于或等于3.7V的情況下在負(fù)載端子上進(jìn)行遠(yuǎn)端采樣。該器件的LGA封裝允許從頂部和底部散失熱量，因而便于使用金屬底盤或BGA散熱器。不管有沒有冷卻氣流，這種封裝的外形均有利于實(shí)現(xiàn)卓越的熱耗散。如前文所述，在1.8V的低輸入電壓條件下，為了以足夠的幅度驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O以使功率MOSFET完全飽和，不具備偏置電源的傳統(tǒng)型電源IC解決方案將會(huì)十分吃力。因此，其熱性能將低于LTM4611所能提供的水平，這是由于后者具有內(nèi)部微功率偏置發(fā)生器。
當(dāng)然它的另一種優(yōu)勢肯定少不了具有小巧面積的這點(diǎn)，這使得我們在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的時(shí)候縮減了占板面積。LTM4611內(nèi)置于一種耐熱性能增強(qiáng)型LGA(焊盤網(wǎng)格陣列) 封裝，具有小巧的焊盤圖形 (僅15mmx15mm)和實(shí)際體積(高度僅為4.32mm——占用的空間只有區(qū)區(qū)1cm3)，可提供引人注目的效率。除了高效率之外，在給定的輸入電壓條件下，LTM4611的功耗曲線相對平坦，從而使LTM4611的熱設(shè)計(jì)以及在后續(xù)產(chǎn)品中的重復(fù)使用變得簡單易行 —— 即使在中間總線電壓由于IC芯片不斷縮小而日益下降的情況之下也不例外。凌力爾特公司的μModule穩(wěn)壓器 (比如：LTM4611) 按照與產(chǎn)品序列中的其他封裝集成電路一樣嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。在向公眾發(fā)布之前，產(chǎn)品必須順利地通過一系列的測試，例如：依據(jù)JEDEC規(guī)范進(jìn)行的工作壽命測試、+85℃/85% 溫度-濕度偏置、溫度循環(huán)、機(jī)械沖擊、振動(dòng)等等。這種原則使工程師們擁有了十足的信心：這些高集成度解決方案完全能夠提供堪與傳統(tǒng)開關(guān)轉(zhuǎn)換器相媲美的可靠性，而后者卻需要具有眾多相關(guān)聯(lián)的外部組件，必須由采購、制造和質(zhì)量部門進(jìn)行購置、裝配和檢驗(yàn)。
可以說我們不難發(fā)現(xiàn)越來越多的超級(jí)電容被用作短時(shí)供電電源，以對電池后備系統(tǒng)提供補(bǔ)充。 由于超級(jí)電容器的最大充電電壓僅為2.3V至2.7V，因此，使用高效率的低輸入電壓降壓型轉(zhuǎn)換器能夠最大限度地增加系統(tǒng)準(zhǔn)備時(shí)間，以在主電源重新接通之后實(shí)現(xiàn)快速系統(tǒng)恢復(fù)。DC/DC磚型模塊供應(yīng)商正在推出能夠以很高的效率直接將分配電壓軌(24V 或48V)降壓至一個(gè)低于5V的輸出電壓之新型器件。完全為了有效運(yùn)行傳統(tǒng)開關(guān)轉(zhuǎn)換器而產(chǎn)生一個(gè)5V偏置電壓軌的做法會(huì)增加不希望的成本、功耗、復(fù)雜性或組件。LTM4611內(nèi)置于單個(gè)LGA封裝 (許多其他的集成電路都采用這種封裝) 之中，其在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)保持了高效率和上佳的熱性能。LTM4611是一款簡潔和高度可靠的降壓型穩(wěn)壓器，可輕松適應(yīng)那些需要從低至1.5V的輸入電壓提供高輸出電流的負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用，并降低了采用 “額外”電壓軌的必要性。
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