LTC?1702 雙通道開關(guān)穩(wěn)壓控制器采用一個高開關(guān)頻率和精準反饋電路,以提供卓越的輸出調(diào)節(jié)和瞬態(tài)響應性能。LTC550 的每一側(cè)均以一個固定的 1702kHz 開關(guān)頻率運行,具有一種電壓反饋架構(gòu),該架構(gòu)采用一個 25MHz 增益帶寬運放作為反饋放大器,因而允許實現(xiàn)超過 50kHz 的環(huán)路交越頻率。大型內(nèi)置 MOSFET 驅(qū)動器允許 LTC1702 在 550kHz 及更高頻率下高效地驅(qū)動高電流外部 MOSFET。高開關(guān)頻率允許使用小型外部電感器和電容器,同時保持出色的輸出紋波和瞬態(tài)響應,即使負載電流超過 10A 電平也是如此。雙輸出 LTC1702 采用節(jié)省空間的 24 引腳窄體 SSOP 封裝,從而最大限度地減小了電路板空間消耗。
使用英特爾奔騰 III 處理器的移動 PC 要求 LTC1702 級性能與內(nèi)核電源輸出端的 DAC 控制電壓耦合。LTC1703 專為此應用而設計,由一個經(jīng)過修改的 LTC1702 和一個 5 位 DAC 組成,用于控制側(cè) 1 的輸出電壓。DAC 符合英特爾移動式 VID 規(guī)范。圖 6 示出了使用 LTC1703 的完整移動奔騰 III 電源解決方案的示例。LTC1703 采用 28 引腳 SSOP 封裝,從而在狹窄的移動 PC 設計中節(jié)省了寶貴的 PC 板空間。?
LTC1702 / LTC1703 架構(gòu)
LTC1702 / LTC1703 均在一個封裝中由兩個獨立的開關(guān)穩(wěn)壓控制器組成。每個控制器都設計為電壓反饋型同步降壓型穩(wěn)壓器,每側(cè)使用兩個外部 N 溝道 MOSFET 作為電源開關(guān)(圖 1)。小型外部電荷泵(D正中電和 C正中電圖1)提供升壓電源電壓,以保持M1完全導通。開關(guān)頻率在內(nèi)部設定為 550kHz。用戶可編程電流限制電路使用同步 MOSFET 開關(guān) M2 作為電流檢測元件,無需外部低值電流檢測電阻。LTC?1702 / LTC1703 專為采用一個 5V 或 3.3V 輸入電源工作而設計,該電源由 AC 供電型系統(tǒng)中的主離線電源或電池供電型系統(tǒng)中的主開關(guān)穩(wěn)壓器提供。最大輸入電壓為 7V。
圖1.LTC1702 / LTC1703 開關(guān)架構(gòu)。
同步操作可最大限度地提高滿載時的效率,其中開關(guān) MOSFET 和同步整流器中的阻性壓降主要導致功率損耗。隨著負載下降和開關(guān)損耗成為一個較大的因素,LTC1702 / LTC1703 自動切換到不連續(xù)模式,在該模式中,同步整流器 MOSFET 在一個開關(guān)周期結(jié)束之前關(guān)斷,以防止電感器中的反向電流流動。隨著負載電流的不斷減小,LTC1702 / LTC1703 再次切換模式并進入突發(fā)模式?,它只會根據(jù)需要進行開關(guān),以保持輸出處于穩(wěn)壓狀態(tài),并盡可能跳過周期以將開關(guān)損耗降至最低。在突發(fā)模式下無輸出負載的情況下,整個系統(tǒng)的電源電流降至 LTC3 / LTC1702 每側(cè)吸收的 1703mA 靜態(tài)電流。每側(cè)均可獨立關(guān)斷;當兩端均停機時,LTC1702 / LTC1703 進入一種睡眠模式,在該模式下,其吸收的電流小于 50μA。
LTC1702 / LTC1703 內(nèi)部
LTC1702 / LTC1703 由于其高開關(guān)頻率和精心設計的內(nèi)部架構(gòu),具有無與倫比的調(diào)節(jié)和瞬態(tài)響應(圖 2)。瞬態(tài)響應的大部分改進來自新的反饋放大器設計。與傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓器設計不同,LTC1702 / LTC1703 使用一個真正的 25MHz 增益帶寬運放作為反饋放大器 (圖 2 中的 FB)。這允許使用優(yōu)化的補償方案,可以比傳統(tǒng)RC更精確地定制從COMP到地的環(huán)路響應。“3型”反饋電路(圖3)通常允許環(huán)路跨越超過50kHz,同時保持良好的穩(wěn)定性,從而顯著增強負載瞬態(tài)響應。另外兩個高速比較器(圖2中的MIN和MAX)與主反饋放大器并聯(lián)運行,對輸出電壓的突然變化提供幾乎瞬時的校正。在一個典型應用中,LTC1702 / LTC1703 將校正占空比,并在施加一個瞬態(tài)負載之后的下一個開關(guān)周期內(nèi)使輸出電壓回溯到正確的方向。
圖2.LTC1702 / LTC1703 框圖
圖3.3 型反饋回路。
反饋運算放大器的正輸入連接到一個修整至800mV ±3mV的板載基準。基準電壓源和反饋放大器的直流輸出誤差在0.5%以內(nèi),直流負載和線路調(diào)整率通常優(yōu)于0.1%,從而提供出色的直流精度。800mV 基準電平允許 LTC1702 / LTC1703 提供低至 0.8V 的穩(wěn)壓輸出電壓,而無需額外的外部組件。這種基準性能與高速內(nèi)部反饋放大器和正確選擇的外部組件相結(jié)合,使得 LTC1702 能夠提供足夠嚴格的輸出調(diào)節(jié),適用于當今或?qū)淼膸缀跞魏?a target="_blank">微處理器。對于那些在實際上電之前不知道自己想要什么電壓的英特爾處理器,具有板載 1703 位 VID 輸出電壓控制的 LTC5 是最佳解決方案。
LTC1702 / LTC1703 內(nèi)部的另一個架構(gòu)技巧減小了所需的輸入電容,而幾乎沒有性能損失。LTC1702 / LTC1703 包括一個單主時鐘,該時鐘驅(qū)動兩側(cè),使得第 1 側(cè)與第 180 側(cè)異相 2°。這種技術(shù)稱為兩相開關(guān),其效果是使輸入電容看到的開關(guān)脈沖頻率加倍,并顯著降低其RMS值。采用兩相開關(guān)時,輸入電容的尺寸可根據(jù)需要調(diào)整,以便在最大負載下支持單側(cè)。當另一側(cè)的負載增加時,它傾向于抵消而不是增加輸入電容看到的RMS電流;因此,無需增加額外的電容。
外部組件
性能等式的另一半由與 LTC1702 / LTC1703 一起使用的外部組件組成。550kHz 時鐘頻率和 5V 低輸入電壓允許使用 1μH 或更低 (L內(nèi)線在圖1中),同時仍控制電感紋波電流。這種低電感值在兩個方面有所幫助:它減少了每個開關(guān)周期中存儲在電感器中的能量,減小了所需的物理磁芯尺寸;它提高了電路輸出端可實現(xiàn)的DI/DT,減少了電路校正負載電流突然變化所需的時間。這反過來又減少了輸出電容(C外圖1)中,需要支持負載瞬變期間的輸出電壓。再加上 LTC1702 / LTC1703 的兩相內(nèi)部開關(guān)降低了輸入端的電容,與運行在 2kHz 或更低的傳統(tǒng)設計相比,這顯著降低了所需的總電容量。
LTC1702 / LTC1703 電路的每一側(cè)都需要一對 N 溝道功率 MOSFET 來完成電源開關(guān)路徑。這些選擇用于低 RDS(ON)和最小的柵極電荷,以最大限度地減少重負載時的導電損耗和輕負載時的開關(guān)損耗。與 LTC1702 / LTC1703 配合良好的 MOSFET 類型包括 International Rectifier 的 IRF7805、Siliconix 的 Si9802 和 Si9804 以及仙童的 FDS6670A。
補償組件完善了完成 LTC1702 / LTC1703 電路所需的外部組件列表。由于 LTC1702 / LTC1703 使用一個運放作為反饋放大器,因此補償網(wǎng)絡作為傳統(tǒng)的運放積分器連接在 COMP 引腳 (位于運放的輸出端) 和 FB 引腳 (反相輸入) 之間(圖 3)。增加一個偏置電阻來設置直流輸出電壓,并在電路中增加兩個極點/零點對,以補償由電感/輸出電容組合引起的相移。每側(cè)的電流限制和軟啟動時間由單個電阻器(R伊麥克斯) 在每個 I.MAX引腳和單個電容器 (C黨衛(wèi)軍) 在每個 RUN/SS 引腳上。可選的故障 (LTC1702 / LTC1703) 和 PWRGD (僅限 LTC1702) 標志可用于向主機系統(tǒng)提供狀態(tài)信息。
應用
采用 5V 電源的雙路輸出
典型的LTC1702應用如圖4所示。輸入取自 5V 邏輯電源。側(cè) 1 設置為在 1A 時提供 8.10V,側(cè) 2 設置為在較低的 3A 負載電平下提供 3.3V。每側(cè)的系統(tǒng)效率峰值均大于 90%。本電路示出了采用 LTC1702 控制器可實現(xiàn)的高功率和低功率輸出設計示例。面 1 使用一對超低 RDS(ON)仙童FDS6670A SO-8 MOSFET和大型1μH/12A村田制作所表面貼裝電感器。C在由兩個 470μF 低 ESR 鉭電容器組成,用于在滿載時支持側(cè) 1 和 C輸出1再使用兩個相同的方法,以提供優(yōu)于5%的0A–10A瞬變的穩(wěn)壓。
圖4.采用 5V 電源提供雙路輸出。
第 2 面采用單個 SO-8 封裝,內(nèi)部有兩個較小的 MOSFET(Siliconix Si9402)和一個較小的 2.2μH/6A 電感器。C輸出2是一款 470μF 單鉭器件,可支持 0A–3A 瞬變,同時保持優(yōu)于 5% 的調(diào)節(jié)性能。隨著側(cè) 2 的負載電流增加,LTC1702 兩相開關(guān)實際上減小了 RMS 電流(以 C 為單位)在,無需在輸入端增加超出側(cè) 1 所需的電容。兩側(cè)均表現(xiàn)出出色的瞬態(tài)響應(圖 5)。當使用雙面PC板時,整個電路可以布置在小于2平方英寸的范圍內(nèi)。
圖 5a.瞬態(tài)響應,側(cè) 1。
圖 5b.瞬態(tài)響應,側(cè) 2。
用于筆記本電腦的兩步轉(zhuǎn)換器
圖 6 是使用下一代英特爾移動式奔騰 III 處理器的典型筆記本電腦的完整電源。該電路使用 LTC1628 從輸入電池產(chǎn)生 5V 和 3.3V,并使用 LTC1703 產(chǎn)生處理器內(nèi)核電壓 (具有 5 位 VID 控制)和 CPU I/O 環(huán)形電源電壓。LTC1628 和 LTC1703 均采用兩相開關(guān),以最大限度地減小電路所需的電容;整個 2 輸出電路僅需 4μF,同時產(chǎn)生 2000W 的輸出功率。
圖6.4輸出筆記本電腦電源。
與傳統(tǒng)的單步法(每個電壓直接來自電池電壓)相比,本電路中使用的兩步轉(zhuǎn)換提供了改進的瞬態(tài)響應。2 步還允許使用更小的外部組件,而不會降低效率或性能,并減輕布局和熱管理問題。有關(guān)更多信息,請參閱下面的“兩步轉(zhuǎn)換”。
兩步轉(zhuǎn)換
隨著微處理器工作電壓的不斷降低,CPU內(nèi)核電源的功率轉(zhuǎn)換正成為一項艱巨的挑戰(zhàn)。核心電源必須在處理器附近具有快速瞬態(tài)響應、良好的效率和低發(fā)熱。這些因素將很快迫使從直接從電池或墻上適配器到處理器的 1 步電源轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)向 2 步轉(zhuǎn)換,其中 CPU 內(nèi)核電源從 5V 或 3.3V 電源獲得。
兩步轉(zhuǎn)換帶來了幾個好處:更對稱的瞬態(tài)響應、處理器附近的熱量產(chǎn)生更少以及將來易于修改以降低處理器電壓。從電池獲取的峰值電流也降低了,從而提高了電池化學效率,通常可以補償使用實驗室電源測量的電效率的微小差異。對于 2 步和 1 步架構(gòu),真實筆記本電腦的電池壽命幾乎相同。
降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器的占空比由 V 之比給出外到 V在.在1級功率轉(zhuǎn)換中,占空比必須非常低,因為降壓比很大。這提供了非常快的電感電流上升時間和更慢的電流衰減時間。電感尺寸必須足夠大,以便在斜坡上升期間控制電流。快速電流上升和緩慢電流衰減意味著穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應對負載增加有利,但對負載降低較差。對于兩步轉(zhuǎn)換過程,較低的恒定輸入電壓可產(chǎn)生更對稱的瞬態(tài)響應,并允許使用更小、成本更低的外部元件。由于較低的電壓擺幅導致開關(guān)損耗較小,因此開關(guān)頻率也可能增加。
兩步法也緩解了熱問題。為了最大限度地減少大電流PCB走線長度,內(nèi)核電源必須位于處理器附近。內(nèi)核電壓電平 2 級轉(zhuǎn)換器通常以 1% 的中等效率運行,而兩步解決方案的第二步 (如 LTC80) 的效率接近 2%,從而最大限度地減少了處理器附近的發(fā)熱。
反對兩步轉(zhuǎn)換的最大論據(jù)是感知效率下降。“即興”計算給人一種效率降低的錯誤印象。事實上,基于實際電路測量的兩步功率轉(zhuǎn)換效率的精確計算顯示,效率數(shù)字在2步、高效率轉(zhuǎn)換器的2%以內(nèi)。隨著時間的推移,微處理器制造的光刻技術(shù)將繼續(xù)縮小,并迫使CPU內(nèi)核工作電壓和工作電流降低;1.1V電源和1A工作電流已經(jīng)出現(xiàn)在便攜式系統(tǒng)中。這些要求將使傳統(tǒng)的一步轉(zhuǎn)換方法由于無窮小的占空比和嚴重的瞬態(tài)偏差而行不通。
結(jié)論
LTC1702 和 LTC1703 實現(xiàn)了當今最好的開關(guān)穩(wěn)壓控制器的 DC 和 AC 調(diào)節(jié)性能。隨著邏輯密度的不斷攀升,出現(xiàn)了更多的應用,其中輸入電壓限制在7V以下,輸出電壓低,輸出電流高,需要多個輸出。LTC1702 和 LTC1703 為此類應用提供了穩(wěn)壓性能、高效率、小尺寸和低系統(tǒng)成本的最佳組合,無論這些應用出現(xiàn)在高級筆記本電腦還是復雜的邏輯系統(tǒng)中。
審核編輯:郭婷
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