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多功能系统需要高弹性可设定 20V高电流电源管理IC
 

【作者: Steve Knoth】2020年09月10日 星期四

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科技的持续进步促使所有电子系统的功能日新月异,但产品内部的可用空间却也不断地缩减中。以手机而言,其内部整合了触控萤幕、闪光灯、省电模式、以及精密摄影机等元件。汽车仪表板方面,过去只有基本的调频收音机和几个指针式仪表,如今则装满各种精密仪表、卫星收音机、蓝牙、GPS、手机连网、多色照明、以及众多USB连结埠。各种强固型工业电脑则是配备包括条码读取器、大型萤幕、机械硬碟机、以及背光键盘等组件。医疗电子装置则有感测器、多强度闪光灯、仪表、以及各种省电模式。


然而??久不变的一点,则是对电源的需求。可携式与系统电子功能持续增加,对於供电的需求也水涨船高,尤其是用到以下精密数位IC时:


--绘图处理器(GPU)


--现场可编程逻辑闸阵列(FPGA)


--微控制器与微处理器


--可程式逻辑元件(PLD)


--数位讯号处理器(DSP)


--特定用途积体电路(ASIC)


这些复杂数位装置需要多轨式高功率密度电源供应器,同时具备高电流、低电压、快速瞬态反应等特性。这些严苛要求加上特定高效能需求 - 包括如低杂讯或数位控制 - 对电源供应器开发业者施予极大压力,必须推出尖端性能的解决方案,上述元件的种种进展促使电源供应器的研发业者必须跟上发展的脚步。


电源系统的各种设计挑战

现代电子系统研发业者面临重重挑战,包括受限的空间、有限的工作温度范围、以及杂讯方面的规范。为节省电路板空间以致必须提高整合度,因此也需要高效率的电源元件以便压低温度。


举例来说,现代的汽车仪表板装满各种电子系统,而且必须在甚高的环境温度下工作,以致温度监视与通报成为其关键的要求,特别是电源管理元件。系统控制器除了回报过温(OT)警讯,还会执行各种??解步骤防止系统过热,像是关闭较不重要的功能以调降处理器、萤幕,以及网路通讯等元件的效能。


在电源供应器方面,即使是最基本的车载资讯娱乐中控仪表板也需要供应多个低电压电源轨(输出电平),总电流须达到数安培之谱; 而高阶车款搭载的中控台则需要规格更高的电源供应器。综观传统的作法,低电压供电轨是由多个微小的负载点(POL)分立式电源调节IC,或是由高整合度的大型电源管理IC(PMIC)来产生。许多PMIC产生的供电轨甚至多过实际需要数量,且占用电路板空间甚多,因此可以调降某些供电轨的供电来因应,但这也会让最初的整合变得没有意义。


另一项潜在的设计挑战是功能叠加(feature creep),或是在开发过程中缓步变更产品规格 - 进而改变输入与输出电压以及输出电流。功能叠加有可能全盘推翻原先选用的IC以及相关的分立元件。


在最好的情况下,若是在电路板设计完成後又再变更系统规格,这时可藉由更换可调式输出转换器上的几个电阻来调整电压。但是在最糟情况下,若是更新後的电流值超过原用转换器的切换电流额定值,就必须把多颗IC更换成针脚不相容的IC。如此一来,就必须重新进行IC、机板、甚至系统层级的验证,因此就算功能变更的幅度再小,都会大幅增加成本以及拖延开发时程。


想要解决这些问题,电源IC的输出规格必须超越单纯分立的单一或双输出IC,而且占用空间必须更小,成本也必须低於全功能式PMIC。这种介於两个极端之间的调节元件属於多重输出的电源IC,能以可调整数量的调节供电轨,而且解决方案占用的电路板空间也比较小。在理想状况下,这样的IC应能输出大范围电压与电流,以因应开发过程中供电需求的变化,省去重新验证的流程,以及缩短产品的上市时程。


此外,解决方案必须在高於5V的输入电压下工作,并发挥高效率,藉以应付各种类型应用,像是接上12至18V的墙式电源转接器。其他要求的功能特色,还包括整合式安全与监视功能、大范围的工作温度、以及创新的封装设计与高温度效能等。


高弹性可设定20 V多输出电源IC

ADI旗下Power by Linear LTC3376 为一款高整合度通用型电源管理解决方案,主要锁定需要多个低电压电源轨的系统。这款元件能由客户自行设定,从一个最高20V的输入供电,汇出1到4个独立的调节输出供电,支援15种输出电流组态,总输出电流最高可达12安培(叁见图一)。如此高弹性让 LTC3376适合各种不同的多通道应用,其中包括电信、工业、汽车,以及通讯系统。



图一 :  LTC3376 简化模块图
图一 : LTC3376 简化模块图

LTC3376 结合4个独立降压稳压器通道,以及8个可设定1.5安培供电级,搭配弹性定序与故障监视,可用输出电流达到12安培。LTC3376的尖峰降压效率为96%,所有通道的输出电压精准度达到正负1%。每个通道可供应3至20V的独立输入供电,输出电压范围最低可达0.4V。相邻输出通道可与一个共用电感并联,藉以简化电路。直流对直流转换器可透过调整CFG0 至CFG3针脚,设定成15种供电组态。此外,这种设计不需外部??酸??钡(BST)电容,因为BST电容已经整合在元件封装内。


LTC3376的切换式稳压器的工作模式有两种: Burst Mode操作(启动预设模式)用来在轻负载时达到更高的效率,以及强制连续脉冲调变(PWM)模式,用来在轻负载下降低杂讯。切换式稳压器采用内部补偿机制,只需外部回??电阻就能设定输出电压。降压稳压器有限制输入电流的软启动机制,能限制开机时的流入电流;差动输出感测、以及短路保护等机制。此外,元件还内含可设定与可合成的1 MHz至3MHz振荡器,预设切换频率为2 MHz。


所有4个转换器的静电流只须42 μA就能启动。其他特色还包括: 4个power good针脚,显示已启动的直流对直流转换器落在目标输出的规范比率范围;电流监视器用来对每个降压负载执行外部监视;一个EXTVCC 针脚用来提升效率;精准RUN针脚阀值用来执行启动定序;晶粒温度监视器输出(可透过TEMP针脚上的类比电压来读取)显示内部晶粒温度;过温功能,用来关闭超载(overload)时晶粒温度过高的降压元件。


LTC3376提供微型化64球 7 mm × 7 mm 覆晶球状闸阵列(BGA)封装。其中E与I等级的元件代表的是接点工作温度范围摄氏零下40度到摄氏125度的元件。


弹性与可设定能力

LTC3376具备的弹性让它能设定成15种不同的输出组态:


--单电感、单输出12安培降压稳压器,所有供电级都在内部聚集以产生最大的输出电流。


--4种可能的2 buck组合,包含2个电感,总输出电流达到12安培


--5种triple-buck组合,每种组合12安培,搭配3个电感


--5种quad-buck组合,每种组合最高12安培,搭配4个电感(叁见图二)



图二 : 典型4输出应用电路
图二 : 典型4输出应用电路

图三显示15种可能的输出组态。这样的弹性让用户在设计过程中遇到需求改变时能够轻易做出调整 - 不需要验证新IC,同时继续延用LTC3376。



图三 :  LTC3376:15个12安培总输出电流组态的例子
图三 : LTC3376:15个12安培总输出电流组态的例子

卓越的散热设计与精小解决方案

LTC3376造就出一个高散热效率的精小解决方案,混用多种封装技巧,构成64球的7 mm × 7 mm覆晶球状闸阵列封装。内部封装结构采用铜柱取代打线。内部的升压电容以及整合基板接地面能进一步改善电磁干扰 - 电磁干扰受到电路板布线的影响相对比较小 - 因此能简化设计流程并降低效能风险(叁见图四)。此外,在晶粒内部,电源元件经妥善配置以提高散热效果 - 让功率消耗平均分布。



图四 :  LTC3376 覆晶封装搭配 (a) 球状闸阵列 (b) 晶粒底部的铜柱 (c) 内嵌旁路电容
图四 : LTC3376 覆晶封装搭配 (a) 球状闸阵列 (b) 晶粒底部的铜柱 (c) 内嵌旁路电容

图五显示一个完整LTC3376解决方案,组成quad 4 × 3 A 降压 (总输出电流为12 安培)组态。注意到整个解决方案的尺寸有多麽精小:工作区域仅约1.5 cm × 2.9 cm大约还不到4.4 cm2。



图五 :  LTC3376展示板为一款4 × 3 A 降压解决方案,可输出5 V、3.3 V、2.5 V、以及1.8 V等电压
图五 : LTC3376展示板为一款4 × 3 A 降压解决方案,可输出5 V、3.3 V、2.5 V、以及1.8 V等电压

额外的系统监视、安全、以及保护功能

除了可设定外,LTC3376还内含多种安全功能以监视与保护被供电的系统。系统会透过每个降压元件的PGOOD针脚来通报各种供电故障状况。每个降压稳压器都有一个电流监视器,会在IMON针脚产生一个电流,电流值会和降压元件的平均负载电流正比例。


为防止高温对LTC3376以及周围元件造成损坏,LTC3376还整合过温保护功能。当LTC3376晶粒温度达到摄氏165度(额定值)时,所有已启动的降压切换稳压器都会关闭,并一直维持在关闭状态,直到晶粒温度降到摄氏155度(额定值)为止。


此外,LTC3376还内含一个温度监视器:透过对类比TEMP针脚电压进行取样,即可读出晶粒温度。TEMP针脚电压代表的温度T其计算公式为:


 T=(VTEMP/10mV)x1℃          (1)


此处的VTEMP 为TEMP针脚的电压。


可设定降压稳压器系列

图六显示整个系列的可设式quad与octal buck稳压器,此系列的新成员为LTC3376。LTC3376的最高输出总电流(最高达12安培),以及最高输入电压(最高到20V)。



图六 : ADI旗下Power by Linear 系列元件可设定成4通道与8通道降压稳压器
图六 : ADI旗下Power by Linear 系列元件可设定成4通道与8通道降压稳压器

总结

技术的进步促使汽车资讯娱乐、消费性掌上装置、工业设备、以及医疗装置的功能不断增加。在许多例子中,这些系统功能的输入电压超过5V,供电的元件包括精密低压/高电流数位IC,这类IC有自己独特的供电需求。以往的电压轨与电流都是由多个分立式电源调节IC、或相对较大的整合式电源管理电路或是PMIC来支援,但两者都无法提供弹性与精小的尺寸。


运用单一4或8输出电源IC来取代这些解决方案,会是一个更明智的选择。LTC3376针脚设定PMIC即是这种新世代多输出电源IC。它是一款20V输入、数位可设定、高效率的多输出电源供应IC,内含4个同步降压转换器,以及8个内部供电级(IOUT 输出电流最高到12安培),拥有低输出电压的能力。


由於可能有15种不同的输出电流组态,系统开发业者可利用其弹性,减少电源模块系统变更与功能叠加造成的影响。结果是排除所费不赀且费时的机板或系统层级重新验证、缩短产品上市时程、降低研发成本/升级时间/各项成本。


(本文作者Steve Knoth为ADI 资深产品市场经理)


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