負載點DC-DC轉換器解決電壓精度、效率及延遲問題

作者:ADI現場應用工程師Atsuhiko Furukawa


問題:

為什麼使用DC-DC轉換器應盡可能靠近負載的負載點(POL)電源?

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答案:

效率和精度是兩大優勢,但實現POL轉換需要特別注意穩壓器設計。

接近電源。這是提高電源軌的電壓精度、效率和動態回應的最佳方法之一。負載點轉換器是一種電源DC-DC轉換器,放置在盡可能靠近負載的位置,以接近電源。因POL轉換器受益的應用包括高性能CPU、SoC和FPGA——它們對功率級的要求都越來越高。例如,在汽車應用中,先進駕駛輔助系統(ADAS)——例如雷達、雷射雷達和視覺系統——中使用的感測器數量在穩步倍增,導致需要更快的資料處理(更多功耗)以最小的延遲檢測和追蹤周圍的物體。

在這些數位系統中,有許多是使用高電流和低電壓,因此更需要盡可能縮短電源和負載之間的距離。高電流所導致的一個顯著問題,是從轉換器到負載,線路產生的電壓會不斷下降。圖1和圖2顯示了電源和負載之間引線電阻的最小化如何使轉換器的輸出電壓降最小化——本例中是控制器IC和為CPU供電的MOSFET。

Figure 1. DC-to-DC output voltage drop with narrower PCB trace.
圖1.PCB佈線較窄情況下的DC-DC輸出電壓降
Figure 2. DC-to-DC output voltage drop with wider PCB trace.
圖2.PCB佈線較寬情況下的DC-DC輸出電壓降

圖2所示的較寬PCB佈線減少了壓降以達到精度要求,但還必須考慮寄生電感。圖2中的PCB佈線長度估計有約14.1 nh的電感,如圖3的LTspice®模型所示。

Figure 3. An LTspice model for the PCB trace inductance.
圖3.PCB佈線電感的LTspice模型

電感會抑制電流的動態變化di/dt,當負載變化時,經過該寄生電感的電流受其時間常數限制,瞬態回應劣化。寄生電感導致的結果是電壓下降,如圖4中的模擬圖所示。

Figure 4. A DC-to-DC output voltage dip with a transient current.
圖4.DC-DC輸出電壓突降和瞬態電流

將轉換器放在負載附近可使PCB電阻和寄生電感的影響最小。DC-DC轉換器IC應放置在最靠近CPU的位置。注意,圖1和圖2顯示了傳統高電流電源(即切換模式控制器和外部FET)的原理圖。控制器FET解決方案可以處理上述應用所需的高電流負載。控制器解決方案的問題是外部FET有空間要求,因而可能難以獲得真正的POL穩壓器解決方案,如圖5的示例佈局所示。

Figure 5. Ideal placement of a DC-to-DC converter to the CPU.
圖5.DC-DC轉換器與CPU的理想佈局

控制器的一個替代方案是單晶片解決方案,其中FET在轉換器IC內部。例如, LTC3310S 單片式降壓調節器(IC尺寸為3 mm×3 mm)可實現負載點解決方案,單個IC最多可提供10 A電流,並聯多個IC可提供20 A電流。這些IC分別如圖6和圖12所示。

Figure 6. An LTC3310S step-down regulator.
圖6.LTC3310S降壓調節器
Figure 7. The tiny LTC3310S footprint enables POL placement.
圖7.小尺寸LTC3310S支援POL佈局

除了小封裝尺寸外,LTC3310S並支援最大5 MHz的切換頻率——高頻工作可減少必要的輸出電容和整體解決方案PCB尺寸。圖8顯示了LTC3310S的負載瞬態性能,其中8 A負載變化導致的輸出電壓偏移小於±40 mV,此性能的實現只需要110μF輸出電容。

Figure 8. The transient response of the LTC3310S.
圖8.LTC3310S的瞬態回應

儘管使用高功率單片式POL轉換器具有明顯的優點,但有一個因素可能是攪局者:熱量。如果轉換器產生的熱量過多,則它將無法用於已經很熱的系統中。

在上述解決方案中,LTC3310S內部溫度升幅透過高效率操作而得以最小化,即使在CPU、SoC和FPGA等高功耗元件周圍的惡劣溫度條件下,它也能夠可靠地運行。此外,LTC3310S內建精密溫度感測器,支援透過SSTT接腳測量內部接面溫度,如圖10所示,相應的溫度感測器特性如圖11所示。

Figure 9. A thermal camera image of the LTC3310S.
圖9.LTC3310S的紅外線攝影機圖像 
Figure 10. An LTC3310S temperature sense pin.
圖10.LTC3310S溫度檢測接腳
Figure 11. Soft start and temperature monitoring operation.
圖11.軟啟動和溫度監控操作

某些單片穩壓器可透過多相並聯操作擴展到更高負載應用。圖12顯示了多個LTC3310S元件並聯並錯相工作,使得電流能力加倍。

控制器的時脈由RT接腳上的單一電阻設定,子節點的相對相位透過RT接腳上的電阻分壓器編程。在圖12所示的情況中,RT接地,將子節點設定為相對於控制器相移180°。

Figure 12. A 20 A, dual phase monolithic regulator POL solution.
圖12.20 A雙相單片穩壓器POL解決方案

圖13顯示了2通道轉換器的電感電流和輸出漣波電流,如圖12所示。同相性能與雙反相性能進行比較。反相操作將輸出漣波電流(透過抵消)從14 A峰對峰值(單相)降低到6 A峰對峰值(雙相),而無需額外的外部濾波器。

Figure 13. Comparing the inductor current and output current in two versions of a 2-channel converter: (a) channels in-phase vs. (b) antiphase.
圖13.比較兩個版本的雙通道轉換器的電感電流和輸出電流:(a) 同相通道與 (b) 反相通道

結論

總之,LTC3310S是一款高效且小型的POL解決方案,適用於為高耗電CPU、SoC、FPGA供電的高電流電源系統。其尺寸很小,並可優化功率效率,導致自發熱很低,因而其可以非常靠近負載。其可輕鬆並聯,在多相解決方案中使用多個LTC3310S可提高功率。