- 討論負載點消費類電子設備的電源管理解決方案
- 針對內核與I/O上電時序提供建議的時序指南
- 使用高阻抗鋁電容或低阻抗陶瓷輸出大電容
技術進步
由于更高的集成度、更快的處理器運行速度以及更低的價格目標，針對數字電視、線纜調制解調器以及機頂盒的負載點(POL)處理器電源設計變得越來越具挑戰性。多年來，隨著集成度的提高和工藝技術的進步，設計旨在用于消費類電子應用的數字處理器和模擬ASIC受益匪淺。現在，工藝技術的進步也可用于現成的負載點電源管理電路。本文將討論一些電源管理設計所面臨的挑戰，如：選擇最佳的輸出電容、解決排序問題以及最少化部件數量等問題。為了解決這些問題，通過利用可保持系統低成本的電源管理器件工藝技術的進步，TI開發出了一款新型雙通道、降壓DC/DC轉換器。現在只需要電源設計的基礎知識就可以設計出一款高性能電源，從而使設計師將主要精力放在其他重要方而，以使其消費類電子產品更成功、成本更低而且功能更強大。
非便攜式消費類電子設備都是由不同類型的AC/DC電源供電的。例如：線纜調制解調器是由一個簡單的墻上適配器供電的，而液晶電視則在其機殼中集成了一個具有功率因數校正(PFC)功能的、可提供數百瓦功率的比較復雜的電源。在上述每個AC/DC電源中，根據具有較大負載電流的系統所需要的最高DC電壓，AC電源可轉換為常見的DC電壓，如：5V、12V或24V。其負載可以是線驅動器、冷陰極燈管(CCFL)背光逆變器或凋諧器模塊。
對于消費類應用而言，將兩個電源集成到一個芯片上，并采用低引腳數量的小型封裝具有諸多好處。大多數消費類應用都需要多個低電壓軌來為邏輯電路供電。在這些應用中，雙通道轉換器可以將單個控制器和兩個轉換器的MOSFET組合在一個緊湊型器件中。許多ASIC和處理器都需要內核電壓和I/O電壓，這可能存在排序要求。一款雙通道輸出DC/DC轉換器可以將電路集成，以實現輸出電壓排序要求的輕松實施。減少DC/DC轉換器的數量可以從多方面節約成本，例如：由于在電路板上焊接組件數量的減少，從而加速了產品上市進程，簡化了設計、降低了采購限制并提高了可靠性。
要使雙通道、高電流DC/DC轉換器成為現實的技術需要考慮諸多設計因素。由于在一個封裝中包含了兩個轉換器，所以要保持器件的低功耗就是一個很人的挑戰。如欲實現較小的電路面積，低阻抗MOSFET的集成至關重要，但同時還要滿足轉換器封裝的散熱要求。不幸的是，降低電源MOSFET的導通電阻就意味著增大硅裸片的面積，此舉會增加芯片的尺寸和成本。DC/DC轉換器廠商經常面臨著這樣進退兩難的僵局：要么縮小MOSFET的尺寸以滿足芯片小型封裝的要求，要么增大MOSFET的尺寸以降低功耗并提高效率。借助一流的工藝技術，TPS54386在尺寸與效率之間實現了平衡――小型14引腳HTSSOP封裝中每個MOSFET的導通電阻為85mΩ。對于消費類電子設計師來說，將同類競爭產品寬輸入電壓范圍的DC/DC轉換器的導通電阻進行比較，并對其效率進行測量以確保獲得最佳值是個不錯的想法。圖1顯示了一款用于雙通通道輸出DC/DC轉換器的典型應用電路，該轉換器具有集成的高壓側MOSFET。
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雖然使用雙通道轉換器有諸多好處，但相似的單通道DC/DC轉換器通常也有很廣的市場前景。當兩個低壓輸出的目標負載之間相隔很火的距離時，使用兩個單通道控制器要比使用一個雙通道轉換器好的多。在高電流的情況下，PWB線跡的電阻會降低負載的輸出電壓。這樣就會影響電源的穩壓精度和功耗。在完成電路布局之前，對電路板做一個精心的規劃有助于確定是采用一個雙通道轉換器，還是采用兩個單通道轉換器更好些。
排序
越來越多的處理器廠商開始針對內核與I/O上電時序提供建議的時序指南。除了可以滿足內核與I/O上電時序要求以外，對電源進行排序還有助于降低啟動時的浪涌電流。當多個電源軌同時啟動時，對主電源就提出了更高的要求。如果在大電流充電(charging bulk)時伴隨著電流消耗(current draw)，且旁路電容非常大，那么主電源可能會跳變至電流限制設置值，從而導致其關斷。交錯電壓軌有助于最少化與浪涌電流有關的問題。為了解決這些問題，圖1所示的雙通道轉換器提供了單獨開啟的引腳，以適應具體的啟動順序。在向電源輸入引腳施加電壓以后，可能會使用一個與啟動引腳相連的R-C電路來延遲相關輸出的開啟。此外，排序引腳還允許用戶選擇順序排序或比例排序。對于比例排序而言，每個輸出端都會在進入穩壓的同時，以最終輸出電壓決定的比例斜坡上升(見圖2)。而對于順序排序而言，當一個輸山端實現穩壓以后，另一個輸出端才開始啟動。通過SEQ引腳，用戶可以對其中的任何一個輸出端進行編程，以使輸出端先完成斜坡上升。如果需要的話，開啟引腳可以實現單獨轉換。
近年來，將兩個輸出電壓轉換為異相的技術得到廣泛青睞。實現兩個獨立電壓穩壓器在一個系統中的運行可以共享一個輸入電容，并以單個轉換器頻率2倍的比例吸收(draw)紋波電流。當以180°的相位差運行這兩個電壓穩壓器時，總RMS輸入電流被降低了，從而減少了所需輸入電容的數量。在此情況下，振蕩器頻率也實現了內部穩定(該頻率是轉換頻率的2倍)。這兩個輸出端在內部實現了交互轉換周期運行(即以180°的相位差運行)。該技術減少了大體積電容的數量，因此降低了系統成本。此外，通過消除兩個轉換器之間的拍頻(beatfrequency)，同步技術還減少了EMI。
DC/DC轉換器可以用來實施反饋網絡中的內部或外部補償。外部補償提供了選擇各種電感與電容組合的靈活性，但是對于那些不擅長模擬設計的數字設計師來說，控制環路補償與穩定性判斷標準無疑是非常麻煩的。在此方法中，首先是要選擇LC濾波器，然后再決定補償網絡。內部補償不但簡化了設計，而且減少了外部組件的數量，但是設計師必須在一定的LC組件范圍內進行選擇。因此，必須選擇適當的LC濾波器，以保持穩定性。為了降低設計和生產成本，該轉換器集成了補償組件。這樣就可以在提供選擇電感和輸出電容值靈活性的同時，減少組件的總數量。
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使用高阻抗鋁電容或低阻抗陶瓷輸出大電容
由于成本較低，鋁電解質電容在消費類電子領域非常受歡迎。鋁電解質電容具有相對較高的等效串聯電阻(ESR)，其阻值隨著溫度的改變會發生很大的變化，但是可提供大電容。為了降低總ESR(隨之而來的是降低輸出紋波電壓)，必須將若干個鋁電解質電容并聯起來，這樣會占用較多的空間。而相對較小的陶瓷電容則可以和鋁電容并聯，以降低紋波電壓。無論采用哪種方法，都必須對功率級進行適當的補償。有了內部補償組件的幫助，如果在輸出濾波器中采用了一個高ESR電容，那么在環路響應中就會引入一個零點，這樣會導致環路的不穩定。通過引入一個極點(該極點的單個小型陶瓷電容與較低的分壓電阻并聯)，該零點可以被輕松地去除。
最新的陶瓷電容技術已將電容值大大提高，并降低了成本。低ESR陶瓷電容將被用于較高的轉換頻率，并且是鋁電解質電容的替代解決方案。在使用具有內部補償器件的低ESR陶瓷電容時，需要在反饋網絡中添加一個零點以減小交叉頻率(crossover frcquency)處的增益斜坡，并提供一個相位升壓。可以通過將一個小型電容與上面的分壓電阻井聯來添加一個零點。
結語
元器件集成度的提高使數字設計師可以專注于主要工作，而將更多的設計任務留給電源芯片廠商。通過在一個芯片上集成多個轉換器、集成排序方案并使用低成本濾波器，DC/DC轉換器廠商實現了多種功能的集成，從而降低了成本和復雜度。
