新型集成电路简化嵌入式POL DC/DC转换器设计

背景

大多数嵌入式系统都是由 48V 背板供电的。这个电压通常要降至较低的 12V 或 5V 中间电压，以向系统内的电路板支架供电。然而，这些电路板上的大多数分支电路或集成电路所要求的供电电压范围为 0.8V 至 3.3V，供电电流范围为数十毫安至数十安培。结果，需要负载点（POL）DC/DC 转换器将 12V 或 5V 电压降低至这些分支电路或集成电路所需的电压和电流值。

因为这些系统的空间和冷却能力是很有限的，所以任何 POL 转换器都要既小巧又高效，这是极端重要的。此外，很多微处理器和数字信号处理器（DSP）都需要内核电源和一个输入/输出（I/O）电源，这些电源在启动时必须排序。设计师们必须考虑在加电和断电操作时内核和 I/O 电压源的相对电压和时序，以符合制造商规定的性能规格。如果没有正确的电源排序，就可能出现闭锁或过高的电流消耗，这可能导致微处理器 I/O 端口或存储器、可编程逻辑器件（PLD）、现场可编程门阵列（FPGA）或数据转换器等支持器件的 I/O 端口损坏。为了确保内核电压正确偏置之前不驱动 I/O 负载，内核电源和 I/O 电源跟踪是必需的。

尽管就任何给定的 DC/DC 转换器而言，启动和关断跟踪可以从外部实现，但是不同系统的电源排序要求是千变万化的。解决方案包括：可通过可编程接口或由外部组件配置的专用标准产品（ASSP）、基于可编程微控制器的解决方案和 FPGA 解决方案。

功能丰富的集成电路允许最大的灵活性

不良跟踪或排序的弊端是不可修复地损坏嵌入式系统中的一些器件。FPGA、PLD、ASIC、DSP 和微处理器一般在内核和 I/O 电源之间都放置作为 ESD 保护元件的二极管。如果电源不满足跟踪和这些保护二极管的正向偏置要求，那么器件就有可能被损坏。

电压排序、跟踪和裕度已经成为 DC 至 DC 转换器模块的常见功能，但是，这些功能在 DC/DC 控制器集成电路中却不这么常见。在凌特公司最近推出具备所有这三种电源管理功能的同步降压型控制器之前，情况一直是这样。LTC3770 这种新型芯片也以快速瞬态响应、具有允许与系统时钟同步的锁相环（PLL）和高度准确的电压基准而著称。这种电流模式控制器能够在 4V 至 32V 的输入范围内工作，在电流高达约 25A时，仍能产生降压输出，参见图 1。

LTC3770 的恒定接通时间、谷值电流模式架构加上非常低的最小接通时间（典型值为 50ns）允许控制环路迅速响应负载步进。LTC3770 可以通过检测同步功率 MOSFET 上的压降进行 RDS(ON) 电流检测。或者，就需要更精确地控制输出电流的系统而言，可以在功率更低的 MOSFET 电源中采用常规检测电阻。无论哪种情况，限流值都是用户可编程的。

图 1：LTC3770 将 12V 输入降至一个 2.5V/10A 输出

该控制器能以非常低的占空比工作。在极端情况下，可以用高达 32V 的输入电压提供一个低至 0.6V 的输出，甚至是在无负载的情况下也能实现。在需要如此低输出电压的应用中，该芯片电压基准的精确度就显得非常有意义了。室温时 LTC3770 的输出电压准确度规定为 ±0.5%，而在 0^oC 至 85^oC 的温度范围内则为 ±0.67%。在该器件的整个工作温度范围内（-40^oC 至 85^oC），输出电压的总误差仍然仅为 ±1%。

该控制器的工作频率可以用单个外部电阻选择。就需要严格的恒定频率工作的应用而言，锁相环允许 LTC3770 与外部时钟同步，这有助于降低 EMI。

LTC3770 工作细节

在一般工作情况下，高端的 MOSFET 按照由单次计时器决定的固定时间间隔接通。当高端的 MOSFET 断开时，低端的 MOSFET 接通，直到电流比较器 ICMP 跳变为止，然后再重新启动单次计时器并启动下一个周期，参见图 2。通过用检测电阻或低端MOSFET 的导通电阻来检测 SENSE+（SSOP 封装上为 PGND）和 SENSE－ （SSOP封装上为 SW）引脚之间的电压以决定电感器电流。ITH 引脚上的电压按照电感器谷值电流设置相对应的比较器门限。误差放大器 EA 通过比较反馈信号 VFB 和由 VREFIN 引脚设置的基准电压来调节这个电压。如果负载电流增大，那么反馈电压相对基准电压会下降。然后 ITH 电压会上升，直到电感器平均电流再次与负载电流相等为止。

图 2：LTC3770（QFN 封装）的功能方框图

在低负载电流时，电感器电流可以降至零并变为负值。反向电流比较器 IREV 检测出这种变化之后关闭 M2，从而引起断续工作。两个开关将保持关状态，由输出电容器为负载供电，直到 ITH 电压上升到高于零电流水平（0.75V）以启动另一个周期为止。PFB 引脚低于 0.6V 时，比较器 F 禁止以断续模式工作，强制以连续同步模式工作。

工作频率完全由高端 MOSFET 的接通时间和保持电压稳定所需的占空比决定。单次计时器产生与理想占空比成正比的接通时间，因此可保持 VIN 有变化时频率近似恒定。标称频率可以用外部电阻器 RON 来调节。

内部 25us 电源不良时标定时器到期以后，如果输出反馈电压在稳压点附近存在±10% 的窗口，那么过压和欠压比较器 OV 和 UV 就会把 PGOOD 输出拉低。此外，在过压情况下，M1 断开，M2 立即接通并保持接通状态直到过压状态消失为止。

如果输出对地短路，就提供折返电流限制。随着 VFB 下降，被缓冲的电流门限电压 ITHB 被拉低并箝位到 0.9V。在 VFB 接近 0V 时，这可将电感器谷值电流降低至最大值的 1/10。在启动时禁止折返电流限制。

LTC3770 的裕度是电阻可编程的。放置在可编程裕度输入引脚和地之间的电阻设置裕度电流。这个电流与 VREFOUT 和 VREFIN 引脚之间的电阻相乘，设置并决定裕度电压偏移。此外，裕度功能的 MSB 和 LSB 逻辑输入共同决定该集成电路是处于高裕度、低裕度还是无裕度状态。就需要在测试期间改变电源电压以给系统增加压力的用户而言，这个功能尤其有用。

LTC3770 能用电容器自己实现软启动或跟踪另一个电源的输出。把这个器件配置成自己实现软启动时，要把一个电容器连接到 TRACK/SS 引脚。如果 RUN 引脚电压低于 1.5V，那么 LTC3770 就被置为低静态电流关断状态。在关断状态，TRACK/SS 引脚被主动地拉低至地电平。一旦 RUN 引脚电压高于 1.5V，LTC3770 就被加电。然后，1.4uA 的软启动电流开始对软启动电容器 CSS 充电。为了以软启动模式工作，引脚 Z1 必须接地

当这个器件配置成跟踪另一个电源时，另一个电源的反馈电压由一个电阻分压器复制并加到 TRACK/SS 引脚上。在这种情况下，引脚 Z1 应该连接到 INTVCC 上，以在这一模式中关断软启动电流。因此，这个引脚上的电压斜坡率由另一个电源输出电压的斜坡率决定。

其它新型集成电路解决方案

凌特公司最近推出的 LTC3418 是一个非常适用于嵌入式系统的集成电路。它是采用恒定频率和电流模式架构的 4MHz 单片同步降压型 DC/DC 转换器。它用 2.25V 至 5.5V 的输入电压工作，具有 0.8V 至 5V 的稳定输出电压，同时提供高达 8A 的输出电流。开关频率由外部电阻设置或与外部时钟同步。OPTI-LOOP补偿在非常宽的负载和输出电容器范围内优化瞬态响应。

凌特公司还将推出适合总线转换器应用的集成电路，例如 LTC3706，这是一款面向同步正激式转换器的多相（PolyPhase）副端控制器。当与凌特公司的 LTC3705 栅极驱动器和主端控制器一道使用时，这种组合将造就一个集多相操作性能和副端控制速度于一身的完整隔离电源。

LTC3706 简化了高效率副端正激转换器的设计。LTC3705 和 LTC3706 形成了一个坚固和自启动转换器，这个转换器无需副端控制应用常用的独立偏置稳压器。此外，一个专有电路还通过单个纤巧型脉冲变压器对栅极驱动信号以及隔离势垒两端的 DC 偏置电源进行多路转换。

一个引人注意而用于 POL 系统应用的集成电路是 LTC3736-1，它是两相双路同步降压型开关控制器，具有驱动外部互补功率 MOSFET 的跟踪功能。其恒定频率和具有 MOSFET VDS 检测功能的电流模式架构无需电流检测电阻，这降低了成本并提高了效率。让两个控制器不同相地工作最大限度地降低了功率损耗和由输入电容器的 ESR 引起的噪声。

LTC3736-1 独特的扩展频谱架构允许在 450kHz 至 580kHz 范围内随机改变开关频率，极大地降低了输入和输出电源的峰值辐射和传导噪声。这使其更容易就能符合国际 EMI 标准。脉冲跳跃工作模式提高了轻负载时的效率，而 100% 占空比能力允许低压差工作。

小结

由于受到给定机箱内空间和冷却能力有限等多种制约，以及为提高系统可靠性而需要正确的电源跟踪，嵌入式系统 POL DC/DC 转换器的设计师们面临着很多挑战。尽管存在大量的制约因素，但是凌特公司最近推出的多种稳压器仍然能够组成简单、小巧、高效和功能丰富的解决方案。