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負(fù)載點(diǎn)DC-DC轉(zhuǎn)換器解決電壓精度、效率和延遲問(wèn)題

星星科技指導(dǎo)員 ? 來(lái)源:ADI ? 作者:Atsuhiko Furukawa ? 2023-02-15 10:43 ? 次閱讀

Atsuhiko Furukawa

為什么使用負(fù)載點(diǎn) (POL) 電源,其中 DC-DC 轉(zhuǎn)換器盡可能靠近負(fù)載?

效率和精度是兩大優(yōu)勢(shì),但實(shí)現(xiàn)POL轉(zhuǎn)換需要在穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)中小心謹(jǐn)慎。

這是提高電壓精度、效率和電源軌動(dòng)態(tài)響應(yīng)的最佳方法之一。負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器是放置在盡可能靠近負(fù)載的電源DC-DC轉(zhuǎn)換器,以實(shí)現(xiàn)接近電源。受益于 POL 轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用包括高性能 CPU、SoC 和 FPGA,所有這些都需要不斷提高的功率水平。例如,在汽車(chē)應(yīng)用中,用于高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的傳感器數(shù)量(例如雷達(dá)、激光雷達(dá)和視覺(jué)系統(tǒng)中的傳感器)正在穩(wěn)步增加,因此需要更快的數(shù)據(jù)處理(更大的功率)以最小的延遲檢測(cè)和跟蹤周?chē)矬w。

其中許多數(shù)字系統(tǒng)在高電流和低電壓下工作,因此需要最大限度地縮短電源到負(fù)載之間的距離。高電流的一個(gè)明顯問(wèn)題是從轉(zhuǎn)換器到負(fù)載的走線感應(yīng)壓降。圖1和圖2顯示了如何最大限度地減小電源和負(fù)載之間引線的電阻,從而最大限度地降低轉(zhuǎn)換器輸出的輸出電壓降,在本例中,控制器ICMOSFET為CPU供電

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圖1.DC-DC輸出電壓降,PCB走線更窄。

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圖2.DC-DC輸出電壓降,具有更寬的PCB走線。

圖2所示的更寬PCB走線降低了壓降以滿足精度要求,但還必須考慮寄生電感。圖2中的PCB走線長(zhǎng)度估計(jì)電感約為14.1 nH,如圖3的LTspice模型所示。?

raq-issue-191-fig-03.svg?h=270&hash=072914EBCA225C5136E44EC84CDCF9C3&imgver=1

圖3.用于PCB走線電感的LTspice模型。

由于當(dāng)負(fù)載變化時(shí),電感會(huì)抑制電流di/dt的動(dòng)態(tài)變化,因此通過(guò)該寄生電感的電流受到其時(shí)間常數(shù)的限制,從而惡化瞬態(tài)響應(yīng)。寄生電感的結(jié)果是電壓下降,如圖4中的仿真圖所示。

raq-issue-191-fig-04.svg?h=270&hash=5981690F1F232CAA90A1C9BF02C2B2DB&imgver=1

圖4.具有瞬態(tài)電流的DC-DC輸出電壓驟降。

在負(fù)載附近放置轉(zhuǎn)換器可最大限度地減少PCB電阻和寄生電感的影響。DC-DC轉(zhuǎn)換器IC應(yīng)放置在離CPU最近的位置。請(qǐng)注意,圖1和圖2顯示了傳統(tǒng)大電流電源(即開(kāi)關(guān)模式控制器和外部FET)的原理圖。控制器FET解決方案可以處理上述應(yīng)用所需的高電流負(fù)載。控制器解決方案的問(wèn)題在于,外部FET的空間要求使得難以產(chǎn)生真正的POL穩(wěn)壓器解決方案。

控制器的一種替代方案是單片解決方案,其中FET位于轉(zhuǎn)換器IC內(nèi)部。例如,LTC3310S單芯片降壓型穩(wěn)壓器(3 mm×3 mm IC基底面)支持一個(gè)IC高達(dá)10 A的負(fù)載點(diǎn)解決方案,并聯(lián)多個(gè)IC時(shí)提供20 A的負(fù)載點(diǎn)解決方案。這些IC分別如圖6和圖12所示。

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圖6.LTC3310S 降壓型穩(wěn)壓器。

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圖7.纖巧的 LTC3310S 占板面積可實(shí)現(xiàn) POL 布局。

除了小封裝尺寸外,LTC3310S還支持5 MHz的最大開(kāi)關(guān)頻率——高頻操作降低了必要的輸出電容和整體解決方案PCB尺寸。圖8顯示了LTC3310S的負(fù)載瞬態(tài)性能,其中8 A負(fù)載變化導(dǎo)致輸出電壓偏移小于±40 mV,僅用110 μF輸出電容即可實(shí)現(xiàn)。

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圖8.LTC3310S 的瞬態(tài)響應(yīng)。

盡管使用高功率單片POL轉(zhuǎn)換器具有明顯的優(yōu)勢(shì),但存在一個(gè)可能的破壞者:熱量。如果轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生過(guò)多的熱量,則在已經(jīng)很熱的系統(tǒng)中使用時(shí)將無(wú)法存活。

在上述解決方案中,LTC3310S 的內(nèi)部溫升通過(guò)高效率操作得以降至最低,使其即使在 CPU、SoC 和 FPGA 等高功耗組件周?chē)膼毫訙囟葪l件下也能可靠地運(yùn)行。此外,LTC3310S 還包括準(zhǔn)確的內(nèi)部溫度傳感器,該傳感器允許通過(guò) SSTT 引腳測(cè)量?jī)?nèi)部結(jié)溫,如圖 10 所示,所得溫度傳感器特性如圖 11 所示。

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圖9.LTC3310S 的熱像儀圖像。

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圖 10.一個(gè) LTC3310S 溫度檢測(cè)引腳。

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圖 11.軟啟動(dòng)和溫度監(jiān)控操作。

某些單片穩(wěn)壓器可以通過(guò)多相并聯(lián)操作擴(kuò)展到更高負(fù)載的應(yīng)用。圖 12 示出了多個(gè)并聯(lián)連接并異相工作的 LTC3310S 器件,以使電流能力翻倍。

控制器的時(shí)鐘由RT引腳上的單個(gè)電阻器設(shè)置,子節(jié)點(diǎn)的相對(duì)相位通過(guò)RT引腳上的電阻分壓器進(jìn)行編程。在圖12所示的情況下,RT接地以將子節(jié)點(diǎn)設(shè)置為與控制器相移180°。

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圖 12.20 A、雙相單片穩(wěn)壓器POL解決方案。

圖13顯示了2通道轉(zhuǎn)換器的電感電流和輸出紋波電流,如圖12所示。將同相性能與雙反相性能進(jìn)行比較。反相操作可將輸出紋波電流(通過(guò)消除)從 14 A 峰峰值(單相)降低至 6 A 峰峰值(雙相),無(wú)需額外的外部濾波器

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圖 13.比較兩個(gè)版本的2通道轉(zhuǎn)換器的電感電流和輸出電流:(a)通道同相與(b)反相。

結(jié)論

總之,LTC?3310S 是一款高效、纖巧型 POL 解決方案,適用于為高功率高功率系統(tǒng)供電,為高功率需求 CPU、SoC 和 FPG 供電。其小尺寸和優(yōu)化的電源效率導(dǎo)致低自散熱,使其能夠放置在非常靠近負(fù)載的位置。它可以很容易地并聯(lián),以便在多相解決方案中使用多個(gè) LTC3310S 來(lái)擴(kuò)展功率。

審核編輯:郭婷

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