針對負(fù)載點(diǎn)消費(fèi)類電子設(shè)備的方便易用的電源管理解決方案

1、針對負(fù)載點(diǎn)消費(fèi)類電子設(shè)備的方便易用的電源管理解決方案    技術(shù)進(jìn)步由于更高的集成度、更快的處理器運(yùn)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(jī)頂盒的負(fù)載點(diǎn)(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(jìn)步，設(shè)計旨在用于消費(fèi)類電子應(yīng)用的數(shù)字處理器和模擬ASIC受益匪淺?，F(xiàn)在，工藝技術(shù)的進(jìn)步也可用于現(xiàn)成的負(fù)載點(diǎn)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)量技術(shù)進(jìn)步由于更高的集成度、更快的處理器運(yùn)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)

2、器以及機(jī)頂盒的負(fù)載點(diǎn) (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(jìn)步，設(shè)計旨在用于消費(fèi)類電子應(yīng)用的數(shù)字處理器和模擬 ASIC 受益匪淺?，F(xiàn)在，工藝技術(shù)的進(jìn)步也可用于現(xiàn)成的負(fù)載點(diǎn)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(jìn)步，TI開發(fā)出了一款新型雙通道、降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器?，F(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)計人員將主要精力放在其他重要方面，以使其消費(fèi)類電子產(chǎn)品更成功、成本更低而且功能

3、更強(qiáng)大。負(fù)載點(diǎn)消費(fèi)類應(yīng)用的典型電源架構(gòu)非便攜式消費(fèi)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(jī)殼中集成了一個具有功率因數(shù)校正功能 (PFC) 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(fù)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(fù)載可以是線驅(qū)動器、冷陰極燈管 (CCFL) 背光逆變器或調(diào)諧器模塊?？紤]使用一款雙通道輸出電源解決方案對于消費(fèi)類應(yīng)用而言，將兩個電源集成到一個硅芯片上并將采用低引腳數(shù)量的小型封裝具有諸多好

4、處。大多數(shù)消費(fèi)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(shí)現(xiàn)輸出電壓排序要求的輕松實(shí)施。減少 DC/DC轉(zhuǎn)換器芯片的數(shù)量可以從多方面節(jié)約成本，例如：由于在電路板上焊接的組件數(shù)量的減少，從而加速了產(chǎn)品上市進(jìn)程，簡化了設(shè)計、降低了采購限制并提高了可靠性。要獲得一項使雙通道、高電流 DC/DC 轉(zhuǎn)換器成為現(xiàn)實(shí)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

5、件的低功耗就是一個很大的挑戰(zhàn)。如欲實(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了最佳的平衡小型 14 引腳 HTSSOP 封裝中每個 MOSFET 的導(dǎo)通電阻為 85 毫歐姆。對于消費(fèi)類電子設(shè)計人員來說，將同類競爭產(chǎn)品寬輸入電壓范圍的

6、DC/DC 轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)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的值是個不錯的想法。圖 1 顯示了一款用于雙通道輸出 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。圖 1 雙輸出電源的參考設(shè)計，其擁有最低的組件數(shù)量雖然使用雙通道轉(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(fù)載之間相隔很大的距離時，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(fù)載的輸出電壓。這樣就會影響電源的穩(wěn)壓精度以及功耗1。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

7、器，還是采用兩個單通道轉(zhuǎn)換器更好些。排序?qū)嵤╇娫磁判蚴且粋€相當(dāng)不錯的設(shè)計實(shí)踐2。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(jìn)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，就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其電流限制設(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(dú)開啟的引腳以適應(yīng)具體的啟動順序。在向

8、電源輸入引腳施加電力以后，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(jìn)入穩(wěn)壓的同時，以最終輸出電壓決定的比例斜坡上升（請參見圖 2）。而對于順序排序而言，當(dāng)一個輸出端實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓以后，另一個輸出端才開始啟動（請參見圖 3 和圖 4）。通過 SEQ 引腳，用戶可以對其中的任何一個輸出端進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)一個輸出端先完成斜坡上升。但是如果需要的話，開啟引腳可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)轉(zhuǎn)換運(yùn)行。圖 2 比例排序啟動順序圖 3 順序排序啟動順序，先啟動輸出端#2，然后再啟動輸出端#1圖 4順序排序啟動順序，先啟動輸出端#

9、1，然后再啟動輸出端#2縮小外部組件尺寸并減少其數(shù)量近年來，將兩個輸出電壓轉(zhuǎn)換為異相的技術(shù)得到廣泛的青睞。實(shí)現(xiàn)兩個獨(dú)立電壓穩(wěn)壓器在一個系統(tǒng)中的運(yùn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)了內(nèi)部穩(wěn)定（該頻率是轉(zhuǎn)換頻率 2 倍）。這兩個輸出端在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了交互轉(zhuǎn)換周期運(yùn)行（即，以 180°的相位差運(yùn)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 (beat fr

10、equency)，同步技術(shù)還減少了 EMI。DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以用來實(shí)施反饋網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)部或外部補(bǔ)償。外部補(bǔ)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)計人員來說，控制環(huán)路補(bǔ)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。內(nèi)部補(bǔ)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)計人員必須在一定的 LC 組件范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。因此，必須選擇適當(dāng)?shù)?LC 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(bǔ)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，減少部件的總數(shù)量。使用高阻抗鋁電容或低阻抗陶瓷輸出大型

11、電容由于成本較低，鋁電解質(zhì)電容在消費(fèi)類電子領(lǐng)域已非常受歡迎。鋁電解質(zhì)電容具有相對較高的等效串聯(lián)電阻 (ESR) ，其阻值隨著溫度的變化會發(fā)生很大的變化，但是可提供大量的電容。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，這樣會占據(jù)一定的空間。而一個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(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。有了內(nèi)部補(bǔ)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(diǎn)，這樣會導(dǎo)致環(huán)路的不穩(wěn)定。通過引入一個極點(diǎn)（該極點(diǎn)的單個小型陶瓷電容與較低的分壓電阻3并聯(lián)），該零點(diǎn)可以被輕松地去除。陶瓷電容技術(shù)的最新發(fā)展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)電容替代解決方案。在使用具有內(nèi)部補(bǔ)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(diǎn)以減小交叉頻率 (crossover frequency) 處的增益斜坡，并提供一個相位升壓?？梢酝ㄟ^將一個小型電容