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

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IC和MOSFET為CPU供電。

圖1.DC-DC輸出電壓降，PCB走線更窄。

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。?

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。

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?？刂破鱂ET解決方案可以處理上述應(yīng)用所需的高電流負(fù)載?？刂破鹘鉀Q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。

圖6.LTC3310S 降壓型穩(wěn)壓器。

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)。

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。

圖9.LTC3310S 的熱像儀圖像。

圖 10.一個(gè) LTC3310S 溫度檢測(cè)引腳。

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°。

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。

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?？拷?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