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這款高效又緊湊的電源解決方案,用過的設(shè)計師們都說好

發(fā)布時間:2019-07-11 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】系統(tǒng)設(shè)計人員被要求生產(chǎn)更小、效率更高的電源解決方案,以滿足所有行業(yè)SoC和FPGA的高耗電需求。在先進(jìn)的電子系統(tǒng)中,因為電源必須放在SoC或其外圍設(shè)備(如DRAM或I/O設(shè)備)附近,因此電源封裝的可占用空間至關(guān)重要。在便攜式儀器中,如手持條碼掃描儀或醫(yī)療數(shù)據(jù)記錄儀系統(tǒng),空間更為緊湊。
 
設(shè)計人員面臨的問題不僅僅是找到一個適合在有限空間放得下的穩(wěn)壓器。緊湊型解決方案的要求往往與其他先進(jìn)的電子產(chǎn)品要求相沖突:可靠的設(shè)計、高效率、大轉(zhuǎn)換比、高功率、小尺寸以及良好的熱性能。其中許多要求需要在其他領(lǐng)域進(jìn)行權(quán)衡,這就給設(shè)計人員帶來了一個困難且耗時的優(yōu)化問題。LTC3636旨在通過雙通道 6A 降壓穩(wěn)壓器簡化設(shè)計人員的任務(wù),該穩(wěn)壓器在關(guān)斷時消耗非常低的待機(jī)電流,在高達(dá)4 MHz的頻率下工作時,滿載和輕載時都具有很高的效率。
 
小尺寸和4MHz開關(guān)頻率
 
電源設(shè)計中普遍存在的事實是,分配的應(yīng)用空間很小。DC-DC 轉(zhuǎn)換器的體積和功率密度通常受限于龐大磁性元件、輸入/輸出電容、EMI濾波器和散熱器。在降壓功率轉(zhuǎn)換器中,尺寸和效率往往沒法同時滿足:通過提高開關(guān)頻率可以顯著減小電感和輸出電容的尺寸,但高頻工作會增加電感和開關(guān)的開關(guān)損耗。這又使得在狹小空間進(jìn)行熱管理變得更加復(fù)雜。
 
LTC3636是一款雙通道、每路輸出6A、高效率單芯片降壓穩(wěn)壓器,能夠采用最高20 V的輸入電源電壓。可編程開關(guān)頻率可以設(shè)置為高達(dá)4MHz。高開關(guān)頻率顯著減小了電感和電容的尺寸和值,但與許多高頻解決方案不同,LTC3636還保持了高效率,可使用一些具有更低交流損耗和直流損耗的超小尺寸鐵氧體電感。兩個通道錯相180°工作,開關(guān)脈沖交錯使紋波更低,反過來又可以減少輸入電容值。
 
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圖1. 4MHz雙通道降壓穩(wěn)壓器提供緊湊型解決方案。
 
圖1中的雙通道降壓轉(zhuǎn)換器在4MHz的頻率下運行,并使用非常小的電壓和電容。效率和熱性能如圖2所示。熱圖像顯示低于40°C的溫升,在VIN=5V室溫下自然對流。
 
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圖2. 效率曲線(左)和熱圖像(右)。條件:VIN=5V,自然對流。
 
整個負(fù)載范圍內(nèi)的高效率功率轉(zhuǎn)換
 
整個負(fù)載范圍內(nèi)的高效率對于便攜式設(shè)備和汽車應(yīng)用至關(guān)重要。在重載下,功率損耗應(yīng)較小,電路才能可靠運行。為了實現(xiàn)這個目標(biāo),可以優(yōu)化重載下的電路設(shè)計,并且結(jié)合 TMON 引腳進(jìn)行熱監(jiān)控,設(shè)計穩(wěn)定的熱保護(hù)實現(xiàn)可靠的熱管理,這樣,散熱器或強(qiáng)制氣流散熱就不需要了。
 
輕載下的高效率對于電池供電系統(tǒng)延長兩次充電之間的運行時間也很重要。此外,低關(guān)斷功耗是避免電池供電系統(tǒng)漏電的關(guān)鍵。同時權(quán)衡重載或輕載時的效率通常會限制普通電源整體解決方案的性能。
 
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圖3. 高效率雙通道降壓穩(wěn)壓器。
 
LTC3636穩(wěn)壓器具有低靜態(tài)電流,可在輸出電壓高達(dá)5V時實現(xiàn)高效率。而 LT3636-1型號將VOUT范圍擴(kuò)大至12V。該降壓穩(wěn)壓器能夠在3.1V至20V的輸入電壓范圍內(nèi)工作,同時每通道提供高達(dá)6A的輸出電流。圖3顯示的是一個高效率解決方案,而圖4顯示,其測得的效率在整個工作范圍內(nèi)一直很高。
 
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圖4.VOUT=5V和3.3V的效率曲線。
 
可配置用于高達(dá)12A的雙相單輸出
 
先進(jìn)的SoC和FPGA電子系統(tǒng)在汽車、交通和工業(yè)應(yīng)用中的激增需要更高性能的電源。這些先進(jìn)SoC的功率需求不斷增加,基于傳統(tǒng)PWM控制器和MOSFET的解決方案必須采用單片穩(wěn)壓器,以便獲得更小的尺寸、更高的電流能力和更高的效率。LTC3636旨在滿足這些先進(jìn)的SoC功率需求,同時滿足SoC對方案尺寸和散熱的限制。
 
圖5a顯示兩通道并行的電源的原理圖,在0.85V的電壓下提供高達(dá)12A電流。當(dāng) VIN為3.3V時,12A輸出負(fù)載的峰值效率為87%。負(fù)載瞬變?nèi)鐖D5b所示。在此設(shè)計中,F(xiàn)B1和FB2引腳連接在一起,和RUN1和RUN2引腳一樣。ITH1和ITH2引腳連接在一起,并設(shè)置外部補(bǔ)償以最大限度地減少穩(wěn)定狀態(tài)下的電流失配以及瞬變。
 
這款高效又緊湊的電源解決方案,用過的設(shè)計師們都說好
(a) Schematic of LTC3636.
 
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(b) Load Transient (2A to 6A, VIN=3.3V).
圖5. 12A/0.85V穩(wěn)壓器和負(fù)載瞬變的原理圖。
 
結(jié)論
 
工業(yè)和汽車領(lǐng)域應(yīng)用要求提供更高智能和自動化水平以及更多檢測功能,使得電子系統(tǒng)數(shù)量激增,對電源性能的要求亦越來越高。LTC3636采用兩個高效率電源軌簡化了系統(tǒng)設(shè)計,每個電源軌可支持高達(dá)6A電流,并且關(guān)斷時消耗的待機(jī)電流非常低。
 
LTC3636采用散熱增強(qiáng)型、薄型28引腳、4mm × 5mm QFN封裝。內(nèi)置過溫保護(hù)功能提高了可靠性。芯片提供了一個用戶可選模式輸入,允許用戶根據(jù)輕載效率來權(quán)衡輸出紋波。突發(fā)工作模式(Burst Mode®)可在輕載下提供最高效率,而強(qiáng)制連續(xù)模式提供最低輸出紋波。
 
 
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