高壓數(shù)字電源系統(tǒng)管理的發(fā)展

一款新的降壓型控制器 LTC3886 接受高達(dá) 60V 輸入，產(chǎn)生兩個(gè) 0.5V 至 13.8V 輸出，從而使該器件能夠非常容易地應(yīng)用在工業(yè)、服務(wù)器和汽車環(huán)境以作為一個(gè)中間總線或負(fù)載點(diǎn) (POL) 電源使用。具備類似令人印象深刻的輸入 / 輸出范圍的其他控制器不可能比得上 LTC3886 的數(shù)字管理功能。該器件基于 I²C 的 PMBus 兼容串行接口允許電源設(shè)計(jì)師通過(guò)基于 PC 以及具圖形用戶界面的 LTpowerPlay^® 以配置、監(jiān)視、控制和擴(kuò)展功能，然后在 LTC3886 的內(nèi)置 EEPROM 中存儲(chǔ)最佳生產(chǎn)設(shè)置。無(wú)需更改電路板，因?yàn)楣δ芎蛢?yōu)化設(shè)置 (包括補(bǔ)償) 都可以通過(guò)軟件更改。

這款兩通道 PolyPhase^® DC/DC 同步降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制器采用恒定頻率、電流模式架構(gòu)，提供準(zhǔn)確的輸入和輸出電流檢測(cè)和可編程環(huán)路補(bǔ)償，采用 52 引線 (7mm x 8mm) QFN 封裝。準(zhǔn)確的電壓和電流檢測(cè)、可調(diào)補(bǔ)償以及專用 PGOOD 引腳使 LTC3886 非常適合需要通用電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制、監(jiān)視、設(shè)定和高準(zhǔn)確度的工業(yè)應(yīng)用。

靈活的功能集

圖 1 顯示了一個(gè)概括性的 LTC3886 原理圖。100kHz 至 750kHz PWM 開(kāi)關(guān)頻率范圍和低 RDS(ON) 集成式 N 溝道 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器支持大量外部組件，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)電源功能及系統(tǒng)成本優(yōu)化。由于靈活的可編程功能集可以應(yīng)對(duì)眼前的具體應(yīng)用，因此 LTC3886 可以輕而易舉地用于多種工業(yè)、醫(yī)療和負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用。

圖 1：LTC3886 是一款通用和靈活的器件。它提供很寬的輸入和輸出范圍，可通過(guò) PMBus 非常方便地定制。還可通過(guò)數(shù)字總線實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的遙測(cè)。所有功能都可以通過(guò) LTpowerPlay 控制。

通過(guò)可編程性實(shí)現(xiàn)適用性

LTC3886 的以下參數(shù)可通過(guò) I²C/SMBus 接口在內(nèi)置 EEPROM 中配置和存儲(chǔ)：

輸出電壓、過(guò)壓、欠壓和過(guò)流限制

輸入 ON/OFF 電壓、輸入過(guò)壓和輸入過(guò)流警報(bào)

數(shù)字軟啟動(dòng) / 停止、排序、裕度調(diào)節(jié)

控制環(huán)路補(bǔ)償

PWM 開(kāi)關(guān)頻率和相位關(guān)系

通過(guò) FAULT 引腳的故障響應(yīng)和故障傳播

器件地址

開(kāi)關(guān)頻率、器件相位和輸出電壓也可通過(guò)外部配置電阻器編程。此外，所有 128 個(gè)可能的地址都是可通過(guò)電阻器選擇的。

電源良好引腳、排序和可編程故障響應(yīng)

每個(gè)通道專用的 PGOOD 引腳簡(jiǎn)化了跨多個(gè) LTC3886 和其他電源系統(tǒng)管理 IC 實(shí)現(xiàn)基于事件的排序任務(wù)。LTC3886 還支持基于時(shí)間的排序。RUN 引腳變高后，再等待長(zhǎng)度為 TON_DELAY 的時(shí)間，一條 PMBus 命令就接通該器件，或者 V_IN 引腳電壓上升至高于一個(gè)預(yù)設(shè)定的電壓，然后輸出被啟動(dòng)。

基于時(shí)間的斷電排序也以類似方式處理。為了確保恰當(dāng)基于時(shí)間的排序，只需將所有 SHARE_CLK 引腳連接到一起，將所有電源系統(tǒng)管理 IC 的 RUN 引腳連接到一起。LTC3886 FAULT 引腳是可配置的，以指示各種故障，包括 OV、UV、OC、OT、定時(shí)故障和峰值電流故障。此外，F(xiàn)AULT 引腳還可以由外部電源拉低，以指示系統(tǒng)其他某個(gè)部分有故障。LTC3886 的故障響應(yīng)是可配置的，允許以下選擇：

忽略

立即停機(jī) – 鎖斷

立即停機(jī) – 按照 MRF_RETRY_DELAY 規(guī)定的時(shí)間間隔無(wú)限次地重試

故障記錄和遙測(cè)

LTC3886 支持故障記錄，將遙測(cè)和故障狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一個(gè)不斷更新的 RAM 緩沖器中。故障事件發(fā)生后，將緩沖數(shù)據(jù)從 RAM 復(fù)制到 EEPROM，并成為一個(gè)持久有效的故障記錄，這個(gè)記錄可以在稍后回讀，以確定引起故障的原因。

EXTVCC 引腳用于實(shí)現(xiàn)最高效率

EXTVCC 引腳用來(lái)最大限度降低應(yīng)用功耗，并支持 5V 至 14V 電壓。該引腳可實(shí)現(xiàn)具最佳電路效率和最低芯片溫度的設(shè)計(jì)，并使 LTC3886 能夠用輸出電壓高效率地為自身提供偏置電源。

準(zhǔn)確度和精度

新式應(yīng)用要求電源電壓調(diào)節(jié)和監(jiān)察具備嚴(yán)格的容限。這些要求是用一個(gè)高速模擬控制環(huán)路和一個(gè)集成的 16 位 ADC 和幾個(gè) 12 位 DAC 滿足的。在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，LTC3886 的輸出電壓準(zhǔn)確度確保為 ±0.5%。此外，輸出電壓的過(guò)壓和欠壓比較器隨溫度變化的誤差在 ±2% 以內(nèi)。LTC3886 的調(diào)節(jié)和監(jiān)察準(zhǔn)確度允許使用更少的輸出電容器，從而降低了系統(tǒng)的總體成本，同時(shí)仍然滿足下游 IC 嚴(yán)格的輸入電壓要求。

獨(dú)特的高壓側(cè) 60V 輸入電流檢測(cè)放大器隨溫度變化以少于 ±1.2% 的誤差測(cè)量輸入電流。輸出電流隨溫度變化確保 ±1.5% 的準(zhǔn)確度。LTC3886 的內(nèi)部芯片溫度測(cè)量確保準(zhǔn)確至 0.25°C，外部溫度遙測(cè)誤差在 ±1°C 以內(nèi)。

圖 2：LTpowerPlay

擴(kuò)展

最新電源管理系統(tǒng)要求更大的功率和更強(qiáng)的控制能力，但是必須放進(jìn)日益縮小的電路板空間中。并聯(lián)多相電源軌是滿足大功率要求的最佳解決方案，因?yàn)樗蓪?shí)現(xiàn)高功率密度和高效率擴(kuò)展。該器件在多個(gè) LTC3886 之間支持多達(dá) 6 相的準(zhǔn)確多相 (PolyPhase^®) 均流。這就允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)師按需增加電源級(jí)。此外，兩相 LTC3870 多相擴(kuò)展器 IC 可與 LTC3886 無(wú)縫配對(duì)，從而能夠以更低的價(jià)格提供 6 相的多相電源軌。圖 3 顯示了一個(gè) 4 相解決方案。圖 4 顯示了各相位之間的動(dòng)態(tài)均流。

圖 3：采用 LTC3870 相位擴(kuò)展器和 LTC3886 的高效率 425kHz、4 相、48V 輸入至 5V 輸出、5A 降壓型轉(zhuǎn)換器

圖 4：圖 3 所示 4 相電路的動(dòng)態(tài)均流;負(fù)載階躍 (a) 上升和 (b) 下降

LTC3870 不需要額外的 I²C 地址，該器件支持所有可編程功能和故障保護(hù)功能。當(dāng)用多個(gè) LTC3886 / LTC3870 配置一個(gè)多相軌時(shí)，用戶只需均分連至該軌的所有通道之 SYNC、ITH、SHARE_CLK、FAULTn、PGOODn 和 ALERT 引腳即可。所有通道的相對(duì)相位關(guān)系應(yīng)該設(shè)定為間隔相等。這樣的相位交錯(cuò)可產(chǎn)生最低的峰值輸入電流和最低的輸出電壓紋波，并降低對(duì)輸入和輸出電容器的要求。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)師常常對(duì)電源系統(tǒng)分段，以滿足功能和電路板空間要求：LTC3886 / LTC3870 多相軌通過(guò)分離電源和控制組件簡(jiǎn)化了分段工作，從而使這些組件能夠非常容易地放置到可用空間中。分段還可以在 PCB 上擴(kuò)散電源系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，從而全面簡(jiǎn)化了熱量提取，并減少了發(fā)熱區(qū)。

發(fā)展

圖 2 顯示了 LTpowerPlay 的一個(gè)截屏，LTpowerPlay 是一款基于 Windows 的強(qiáng)大軟件開(kāi)發(fā)工具，提供圖形用戶界面 (GUI)，全面支持 LTC3886。LTpowerPlay 可連接演示電路板和直接連接應(yīng)用硬件，增強(qiáng)了評(píng)估能力。LTpowerPlay 提供無(wú)與倫比的開(kāi)發(fā)、診斷和調(diào)試功能。遙測(cè)、系統(tǒng)故障狀態(tài)和 PMBus 命令值全都可以輕而易舉地通過(guò)該 GUI 存取。LTC3886 和其他電源系統(tǒng)管理 IC 可以輕松地用 LTpowerPlay 進(jìn)行獨(dú)特的配置。完整信息可在 www.linear.com.cn/ltpowerplay 網(wǎng)站。

可調(diào)補(bǔ)償

LTC3886 提供可編程環(huán)路補(bǔ)償，以無(wú)需改變?nèi)魏瓮獠拷M件，就能確保環(huán)路穩(wěn)定性和優(yōu)化控制器的瞬態(tài)響應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)理想的補(bǔ)償而辛苦地焊上、焊下大量組件的日子一去不復(fù)返了。使用 LTpowerPlay 時(shí)，只需點(diǎn)擊幾下鼠標(biāo)，LTC3886 就可以得到最佳補(bǔ)償了。控制環(huán)路可以快速、輕松地實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)節(jié)，而無(wú)論最后一分鐘組件進(jìn)行了怎樣的更換或改變。這就使設(shè)計(jì)師能夠去掉不必要的輸出電容器，盡最大可能使系統(tǒng)提供最高性能，同時(shí)節(jié)省電路板空間、降低成本。

圖 5、6 和 7 概述了設(shè)定環(huán)路補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程。誤差放大器 gm (圖 5) 可采用 MFR_PWM_COMP 命令的位 [7:5] 設(shè)置在 1.0mmho 至 5.73mmho 之間，而 LTC3886 內(nèi)部的補(bǔ)償電阻器 RTH 則可采用 MFR_PWM_COMP 命令的位 [4:0] 設(shè)置在 0kΩ 至 62kΩ 范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)中僅需要兩個(gè)外部補(bǔ)償電容器 C_TH 和 C_THP，C_TH 和 C_THP 之間的比率通常設(shè)定為典型值 10。

圖 5：可編程環(huán)路補(bǔ)償

圖 6：誤差放大器 g_m 調(diào)節(jié)

圖 7：R_TH 調(diào)節(jié)

僅通過(guò)調(diào)節(jié) g_m 和 R_TH，LTC3886 就可提供一個(gè)可編程 II 型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，從而在多種輸出電容器和補(bǔ)償組件容限范圍內(nèi)優(yōu)化環(huán)路。調(diào)節(jié)誤差放大器的 g_m ，可成比例地在整個(gè)頻率范圍內(nèi)改變補(bǔ)償環(huán)路的增益，但極點(diǎn)和零點(diǎn)位置不會(huì)移動(dòng)，如圖 6 所示。調(diào)節(jié) R_TH 電阻器，可改變極點(diǎn)和零點(diǎn)的位置，如圖 7 所示。一旦 LTC3886 的電壓和電流范圍確定了，輸出電壓或電流限制的改變就不會(huì)影響環(huán)路增益。當(dāng)通過(guò)改變電壓命令或通過(guò)裕度調(diào)節(jié)修改輸出電壓時(shí)，電路的瞬態(tài)響應(yīng)保持恒定不變。

準(zhǔn)確的遙測(cè)用來(lái)優(yōu)化中間總線系統(tǒng)的效率

LTC3886 具備很寬的 4.5V 至 60V 輸入電壓范圍和 0.5V 至 13.8V 輸出電壓范圍。這在將高壓輸入電源電壓高效地調(diào)低至中間總線電壓時(shí)，使 LTC3886 成為一種出色選擇。中間總線電壓給下游的負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器 (POL) 供電。

當(dāng)用作中間總線轉(zhuǎn)換器給下游電源系統(tǒng)管理 POL 供電時(shí)，LTC3886 使用戶能夠優(yōu)化中間總線電壓，以實(shí)現(xiàn)最高效率。既然 LTC3886 提供電壓和電流遙測(cè)數(shù)據(jù)，且電源系統(tǒng)管理 IC 如此準(zhǔn)確，那么就有可能實(shí)時(shí)產(chǎn)生準(zhǔn)確的系統(tǒng)效率測(cè)量值。這接下來(lái)又使開(kāi)發(fā)一個(gè)優(yōu)化程序成為可能，在這個(gè)程序中，一個(gè)微控制器針對(duì)各種條件決定最佳中間總線電壓。

為了顯示這個(gè)優(yōu)化過(guò)程，一個(gè)輸出為 9V 至 13V 的 LTC3886 中間總線電源用來(lái)給 LTM®4676 8 相演示電路的輸入供電，該演示電路配置為負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器，如圖 8 所示。凌力爾特 Linduino^® One 演示電路 (www.linear.com.cn/solutions/linduino) 通過(guò) PMBus 從 LTC3886 和 LTM4676 讀取準(zhǔn)確的電壓和電流遙測(cè)數(shù)據(jù)，依此測(cè)量和計(jì)算系統(tǒng)的總體效率。Linduino 應(yīng)用在多個(gè)中間總線電壓上測(cè)量總體系統(tǒng)效率，并修改中間總線電壓以得到最低輸入功率，從而無(wú)需用戶干預(yù)就可實(shí)現(xiàn)最高系統(tǒng)效率。

圖 8：LTC3886 設(shè)置為中間總線電源，驅(qū)動(dòng)一個(gè)電源管理 IC POL 轉(zhuǎn)換器。Linduino One 演示電路利用來(lái)自 LTC3886 中間總線電源和 POL IC 的遙測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)隨負(fù)載電流變化調(diào)節(jié)中間總線電壓，以優(yōu)化系統(tǒng)效率。

LTC3886 的效率隨中間總線電壓的變化如圖 9 所示。總體系統(tǒng)效率隨中間總線電壓的變化如圖 10 所示。這些曲線是以負(fù)載點(diǎn)電流為 10A、20A、40A、80A 和 100A 時(shí)測(cè)得的，峰值效率隨負(fù)載電流變化而改變。較大的負(fù)載電流需要較高的中間總線電壓，以在峰值效率上運(yùn)行。如果將中間總線電壓設(shè)定在太高的固定電壓上，那么在小負(fù)載電流時(shí)會(huì)降低系統(tǒng)的總體效率。與使用標(biāo)準(zhǔn)固定 12V 中間總線電壓相比，用 LTC3886 優(yōu)化中間總線電壓，可在 10 A 負(fù)載電流時(shí)將效率提高 6.2%，在 20A 時(shí)提高 3.5%，在 40A 時(shí)提高 1%。這種方法在系統(tǒng)的整個(gè)工作負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了效率優(yōu)化。

圖 9：LTC3886 的效率在不同負(fù)載電流時(shí)隨輸出電壓的變化

圖 10：系統(tǒng)效率

總結(jié)

LTC3886 使凌力爾特公司電源系統(tǒng)管理控制器系列的用途擴(kuò)展到了高壓領(lǐng)域。0.5V 至 13.8V 的寬輸出電壓范圍以及準(zhǔn)確的電壓和電流檢測(cè)、可調(diào)補(bǔ)償和專用 PGOOD 引腳為 LTC3886 用戶提供了最高的設(shè)計(jì)靈活性和性能。LTC3886 非常適合需要通用電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制、監(jiān)視、設(shè)定和高準(zhǔn)確度的工業(yè)應(yīng)用。

表 1：凌力爾特電源系統(tǒng)管理控制器和 PSM 微型模塊 (µModule) 穩(wěn)壓器總結(jié)