功能豐富的系統(tǒng)需要靈活且可配置的20V大電流PMIC

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）

現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA）

微控制器和微處理器

可編程邏輯器件 （PLD）

數(shù)字信號處理器

專用集成電路 （ASIC）

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。

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。

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