技術(shù)的不斷進(jìn)步增加了所有電子系統(tǒng)的功能內(nèi)容,同時(shí)減少了可用空間。手機(jī)有觸摸屏、手電筒、省電模式和復(fù)雜的相機(jī)。汽車儀表板曾經(jīng)只有基本的AM收音機(jī)和一些簡陋的儀表,但現(xiàn)在擠滿了精心制作的儀器,衛(wèi)星收音機(jī),藍(lán)牙,GPS和其他基于手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接,五彩繽紛的照明和無數(shù)的USB端口。工業(yè)強(qiáng)固型計(jì)算機(jī)包含條形碼閱讀器、大屏幕、硬盤驅(qū)動器和發(fā)光鍵盤。醫(yī)療電子設(shè)備包含傳感器、多強(qiáng)度手電筒、儀表和省電模式。
沒有改變的是對權(quán)力的需求。隨著便攜式和系統(tǒng)電子特性的增加,它們的功率要求也隨之增加,尤其是在使用以下復(fù)雜的數(shù)字IC時(shí):
圖形處理單元 (GPU)
可編程邏輯器件 (PLD)
可編程邏輯器件 (PLD)
這些復(fù)雜的數(shù)字設(shè)備需要具有高電流、低電壓和快速瞬態(tài)響應(yīng)的多軌、高功率密度電源。這些嚴(yán)格的要求與特定的高性能要求(如低噪聲或數(shù)字控制)相結(jié)合,給電源設(shè)計(jì)人員提供了提供尖端解決方案帶來了巨大的壓力。在所有情況下,上述設(shè)備的進(jìn)步都要求電源設(shè)計(jì)人員跟上步伐。
電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是滿足有限的空間要求、有限的工作溫度范圍和噪聲規(guī)格。集成度很高以節(jié)省PCB空間,需要高效的電源組件來控制溫度。例如,當(dāng)今的汽車儀表板充滿了在高環(huán)境溫度環(huán)境中運(yùn)行的電子系統(tǒng),因此溫度監(jiān)控和報(bào)告是一項(xiàng)關(guān)鍵要求,特別是對于電源管理組件。系統(tǒng)控制器可以通過緩解步驟來響應(yīng)過熱 (OT) 警報(bào),以防止系統(tǒng)過熱,例如關(guān)閉不太重要的功能或限制處理器、顯示器和網(wǎng)絡(luò)通信的性能。
從電源的角度來看,即使是最基本的儀表板汽車信息娛樂控制臺也需要幾個(gè)總電流為幾安培的低壓電源軌(輸出電平);高級控制臺需要更多。傳統(tǒng)上,低壓軌由大量微小負(fù)載點(diǎn) (POL) 分立式電源穩(wěn)壓器 IC 或大型高度集成的電源管理集成電路 (PMIC) 產(chǎn)生。許多PMIC通常具有比所需更多的電源軌,需要較大的電路尺寸,并且某些電源軌的功率可能不足,從而違背了額外集成的目的。
另一個(gè)潛在的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是功能蠕變,即隨著開發(fā)的進(jìn)展,產(chǎn)品規(guī)格的緩慢變化,例如輸入和輸出電壓以及輸出電流的變化。特征蠕變會對IC和相關(guān)分立元件的選擇造成嚴(yán)重破壞。在最好的情況下,當(dāng)在設(shè)置電路板布局后更改系統(tǒng)規(guī)格時(shí),可以通過交換可調(diào)輸出轉(zhuǎn)換器上的幾個(gè)電阻來調(diào)整電壓。在最壞的情況下,當(dāng)更新的電流水平超過現(xiàn)有轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電流額定值時(shí),必須將多個(gè)IC更換為不兼容引腳排列的IC。這可能需要IC、板級或系統(tǒng)級的重新認(rèn)證,從而增加成本,并增加即使是最小的功能更改的進(jìn)度延遲。
解決這些問題的辦法是電源IC,它比純分立、單或雙輸出IC提供更多輸出,但占用的空間更小,成本低于全功能PMIC。該中間穩(wěn)壓器是一款多輸出電源IC,可提供小尺寸的解決方案,并可配置數(shù)量的中等功率軌。理想情況下,這種IC可以配置為輸出各種電壓和電流,以適應(yīng)開發(fā)過程中出現(xiàn)的功率要求變化,避免重新認(rèn)證周期并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。此外,它可以在高于 5 V 的輸入電壓下高效工作,允許在各種應(yīng)用空間中使用,例如 12 V 至 18 V 的墻上適配器。集成的安全和監(jiān)控功能、寬溫度范圍操作以及具有高熱性能的創(chuàng)新封裝設(shè)計(jì)也是理想的功能。
靈活且可配置的20 V多輸出電源IC
ADI的線性功耗? LTC?3376 是一款高度集成的通用電源管理解決方案,適用于需要多個(gè)低電壓電源軌的系統(tǒng)。該器件可配置為從高達(dá) 20 V 的輸入提供 1 至 4 個(gè)獨(dú)立的穩(wěn)壓輸出,具有 15 種可能的輸出電流配置和高達(dá) 12 A 的總輸出電流;有關(guān)詳細(xì)信息,請參見圖 1。這種靈活性使得 LTC3376 非常適合于多種多通道應(yīng)用,包括電信、工業(yè)、汽車和通信系統(tǒng)。
圖1.LTC3376簡化框圖。
LTC3376 集成了四個(gè)獨(dú)立的降壓穩(wěn)壓器通道和八個(gè)可配置的 1.5 A 功率級,具有靈活的排序和故障監(jiān)控功能,總可用輸出電流為 12 A。LTC3376 在所有通道上具有一個(gè) 96% 的峰值降壓效率和 ±1% 的輸出電壓準(zhǔn)確度。每個(gè)通道可由獨(dú)立的3 V至20 V輸入電源供電,輸出電壓范圍低至0.4 V。 相鄰輸出可與單個(gè)共享電感并聯(lián)組合,從而簡化電路。DC-DC 轉(zhuǎn)換器通過引腳可綁定的 CFG0 至 CFG3 引腳分配給 15 種電源配置之一。不需要外部BST電容,因?yàn)樗鼈円鸭傻椒庋b中。
LTC3376 的開關(guān)穩(wěn)壓器以以下兩種模式之一工作:突發(fā)模式操作 (上電默認(rèn)模式) (用于在輕負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)更高的效率)和強(qiáng)制連續(xù)脈寬調(diào)制 (PWM) 模式以在輕負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)更低的噪聲。開關(guān)穩(wěn)壓器具有內(nèi)部補(bǔ)償功能,僅需外部反饋電阻即可設(shè)置輸出電壓。降壓轉(zhuǎn)換器具有輸入電流限制、軟啟動以限制啟動期間的浪涌電流、差分輸出檢測和短路保護(hù)。該器件具有可編程和可同步的 1 MHz 至 3 MHz 振蕩器,默認(rèn)開關(guān)頻率為 2 MHz。?
使能所有四個(gè)轉(zhuǎn)換器時(shí)的靜態(tài)電流僅為42 μA。其他特性包括:四個(gè)電源良好引腳,指示使能的DC-DC轉(zhuǎn)換器何時(shí)在其目標(biāo)輸出的指定百分比內(nèi),電流監(jiān)視器用于外部監(jiān)控每個(gè)降壓負(fù)載,EXTV抄送用于提高效率的引腳、用于上電排序的精密 RUN 引腳閾值、指示內(nèi)部芯片溫度的芯片溫度監(jiān)控器輸出(可通過 TEMP 引腳上的模擬電壓讀?。┮约斑^熱功能(在過載情況下在高芯片溫度下禁用降壓)。
LTC3376采用緊湊型64引腳、7 mm×7 mm倒裝芯片球柵陣列(BGA)封裝。E 級和 I 級額定工作結(jié)溫范圍為 –40°C 至 +125°C。
靈活性和可配置性
LTC3376 固有的靈活性使其能夠設(shè)置為15種不同的輸出配置:
單電感器,單輸出 12 A 降壓,其中所有功率級在內(nèi)部組合在一起以產(chǎn)生最大電流輸出。
四種可能的雙降壓組合,總共兩個(gè)電感器,總輸出電流總和為12 A。
5 個(gè)三路降壓組合,每個(gè)組合總電流為 12 A,共 3 個(gè)電感器。
5 種四通道降壓配置,每種配置高達(dá) 12 A,共 4 個(gè)電感(參見圖 2)。
圖2.典型的四路輸出應(yīng)用電路。
有關(guān) 15 種可能的輸出配置的列表,請參見表 1。這種靈活性使得在設(shè)計(jì)過程中的需求發(fā)生變化時(shí)能夠輕松調(diào)整 — 當(dāng) LTC3376 能夠保持原位時(shí),無需鑒定新 IC。
拓?fù)鋵W(xué) | 輸出電流組合 |
5 四元 |
3 A, 3 A, 3 A, 3 A, 4.5 A, 3 A, 3 A, 1.5 A, 4.5 A, 4.5 A, 1.5 A, 1.5 A, 6 A, 1.5 A, 3 A, 1.5 A, 7.5 A, 1.5 A, 1.5 A, 1.5 A |
5 三重美元 |
3 A、4.5 A、4.5 A、6 A、3 A、4.5 A、6 A、1.5 A、7.5 A、3 A、1.5 A、9 A、1.5 A、 1.5 A |
4 雙降壓 | 6 安、6 安、7.5 安、4.5 安、9 安、3 安、10.5 安、1.5 安培 |
1 單降壓 | 12 安培 |
出色的散熱設(shè)計(jì)和緊湊的解決方案
LTC3376 通過其緊湊的 64 引腳、7 mm × 7 mm 倒裝芯片球柵陣列封裝中獨(dú)特的封裝技術(shù)組合,實(shí)現(xiàn)了緊湊、熱效率高的解決方案。內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)使用銅柱代替鍵合線。內(nèi)部升壓電容器和集成基板接地層進(jìn)一步改善了EMI(EMI對PCB布局不太敏感),從而簡化了設(shè)計(jì)并降低了性能風(fēng)險(xiǎn)。此外,在芯片內(nèi),功率器件的布置可最大限度地提高熱性能,從而均勻分布功耗。
圖4顯示了采用四通道、4 × 3 A降壓(總輸出電流12 A)的完整LTC3376解決方案。請注意總解決方案尺寸有多緊湊:有效面積僅為 ~1.5 cm × 2.9 cm ~ < 4.4 cm2.
圖4.LTC3376演示板,用于4 × 3 A降壓解決方案,具有5 V、3.3 V、2.5 V和1.8 V輸出。
額外的系統(tǒng)監(jiān)控、安全和保護(hù)
除了可配置性之外,LTC3376 還包括多種安全功能,用于監(jiān)視和保護(hù)其供電的系統(tǒng)。電源故障情況由每個(gè)降壓的相關(guān) PGOOD 引腳報(bào)告。每個(gè)降壓穩(wěn)壓器都有一個(gè)電流監(jiān)視器,該監(jiān)視器在IMON引腳上產(chǎn)生與平均降壓負(fù)載電流成比例的電流。
為防止對 LTC3376 及其周圍組件造成熱損壞,LTC3376 集成了一種過熱功能。當(dāng) LTC3376 芯片溫度達(dá)到 165°C (典型值) 時(shí),所有使能降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器均關(guān)斷并保持停機(jī)狀態(tài),直到芯片溫度降至 155°C (典型值)。
LTC3376 還包含一個(gè)溫度監(jiān)視器:可通過對模擬 TEMP 引腳電壓進(jìn)行采樣來讀取管芯溫度。溫度T由TEMP引腳電壓表示,由下式給出:
其中 V臨時(shí)是 TEMP 引腳上的電壓。
可配置降壓穩(wěn)壓器系列
表 2 示出了整個(gè)可配置四通道和八通道降壓穩(wěn)壓器系列,LTC3376 是其中的最新成員。LTC3376具有最高的總輸出電流(高達(dá)12 A)和最高的輸入電壓能力(高達(dá)20 V)。
產(chǎn)品視頻可在 analog.com/ltc3376 找到。
ADI/LTC | ADI/LTC | 線性 | 線性 | 線性 | 線性 | |
參數(shù) | LTC3376 | LTC3374A | LTC3374 | LTC3375 | LTC3371 | LTC3370 |
拓?fù)鋵W(xué) | 四降壓 | 八進(jìn)制降壓 | 八進(jìn)制降壓 | 八進(jìn)制降壓 | 四降壓 | 四降壓 |
通道數(shù) | 4 | 8 | 8 | 8 + 外部高壓控制器 | 4 | 4 |
總輸出電流 | 8 × 1.5 A = 12 A | 8 × 1 A = 8 A | 8 × 1 A = 8 A | 8 × 1 A = 8 A | 高達(dá) 8 A | 高達(dá) 8 A |
輸出電壓 | V外: 0.4 V 至 0.83 × V在 | V外: 0.8 V 至 V在 | V外: 0.8 V 至 V在 | V外: 0.425 V 至 V在 | V外: 0.8 V 至 V在 | V外: 0.8 V 至 V在 |
配置 | 15 | 15 | 15 | 15 | 8 | 8 |
可并聯(lián)降壓開關(guān)(單電感) | 是,最多 4 個(gè) | 是,最多 4 個(gè) | 是,最多 4 個(gè) | 是,最多 4 個(gè) | 是,最多 4 個(gè) | 是,最多 4 個(gè) |
輸入電壓 | 3 V 至 20 V | 2.25 V 至 5.5 V | 2.25 V 至 5.5 V | 2.25 V 至 5.5 V | 2.25 V 至 5.5 V DC-DC 轉(zhuǎn)換器 2.7 V 至 5.5 V V抄送 | 2.25 V 至 5.5 V DC-DC 轉(zhuǎn)換器 2.7 V 至 5.5 V V抄送 |
工作靜態(tài)電流 | 28 μA(1 通道) | 63 μA(1 通道) | 63 μA(1 通道) | 68 μA(1 通道) | 68 μA(1 通道) | 63 μA(1 通道) |
頻率/同步 | 1兆赫至 3兆赫 | 1兆赫至 3兆赫 | 1兆赫至 3兆赫 | 1兆赫至 3兆赫 | 1兆赫至 3兆赫 | 1兆赫至 3兆赫 |
我2C/簡單界面 | 簡單 | 簡單 | 簡單 | 我2C | 簡單 | 簡單 |
包裝(毫米) | 7 × 7 FC,64 球 BGA | 5 × 7、38 引腳 QFN、38 引腳 TSSOP-E | 5 × 7、38 引腳 QFN、38 引腳 TSSOP-E | 7 × 7、48 引腳 QFN | 5 × 7、38 引腳 QFN、38 引腳 TSSOP-E | 5 × 5、32 引腳 QFN |
結(jié)論
技術(shù)進(jìn)步推動了汽車信息娛樂、消費(fèi)類手持設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備功能豐富的內(nèi)容的增長。在許多情況下,這些系統(tǒng)的輸入電壓超過5 V,由復(fù)雜的低電壓、高電流數(shù)字IC供電,這些IC具有自己獨(dú)特的功率要求。傳統(tǒng)上,電壓軌和電流水平由大量分立式電源穩(wěn)壓器IC或相對笨重、過度集成的電源管理集成電路或PMIC支持。兩者都不提供靈活性和緊湊的尺寸。
用單路、四路或八路多輸出電源IC代替這些解決方案是一個(gè)明智的選擇。LTC?3376 引腳可配置 PMIC 是新一代多輸出功率 IC 的一個(gè)示例。它是一款20 V輸入、數(shù)字可編程、高效率多輸出電源IC,包含4個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器和8個(gè)內(nèi)部功率級(總計(jì)I外高達(dá) 12 A),具有低輸出電壓能力。由于可以進(jìn)行多達(dá) 15 種不同的輸出電流配置,因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以利用其靈活性,減輕不可避免的電源模塊系統(tǒng)更改和功能蠕變的影響??梢韵嘿F且不及時(shí)的板級或系統(tǒng)級重新認(rèn)證,從而縮短產(chǎn)品上市時(shí)間、開發(fā)成本以及升級時(shí)間和成本。
審核編輯:郭婷
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