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评估硬件

产品型号带"Z"表示符合RoHS标准。评估此电路需要下列选中的电路板

  • EVAL-CN0190-EB1Z ($70.00) Robust, Multivoltage, High Efficiency, 25 W Universal Power Supply Module with 6 V to 14 V Input
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优势和特点

  • 12种不同电压和电流输出条件
  • 将其他所有其他通道配置为断电状态

电路功能与优势

采用各种FPGA、CPU、DSP和模拟电路组合的现代复杂系统通常需要多个电压轨。为了提供高可靠性和稳定性,电源系统不仅要提供多个电压轨,而且必须包含合适的时序控制和必要的保护电路。

图1:通用电源模块的功能框图

 

图1所示模块是多电压电源系统的一种参考解决方案。该设计可以轻松根据客户需求进行调整,并且可以提供大多数常见的系统电压。该电路采用开关调节器和线性调节器的最佳组合,可在输出满载时提供约78%的总体效率。满载情况下,输出功率约为25 W。

电路描述

该电路的功能框图如图1所示。各部分的完整原理图,请参阅 CN0190 设计支持包。此模块不仅可以提供数字和模拟电路所需的大多数典型供电轨,而且还展示了一种实现过压、欠压和过流检测和保护的简单方式。另外,此模式演示了如何实现时序和电源余量微调控制。

该电路设计非常灵活,并具有6 V至14 V的宽输入电压范围。这一切之所以成为可能,是因为各供电轨第一级中采用的高效开关控制器和调节器具有相应的宽输入范围。ADM1178模块为输入电源提供过压和过流检测与保护,并为整个系统提供热插拔控制。ADM1066提供一种单芯片解决方案,不仅可实现所有12个供电轨的电源监控与时序控制,而且还可以实现3.3V(2A)供电轨的余量微调控制。

图2:模块输入保护电路

 


输入保护电路描述

图2所示电路为模块提供输入保护,详情将在下文介绍。


输入电压极性反转保护

输入电压反相保护由P沟道MOSFET (Q1)提供。在采用正输入电压的正常工作模式下,当SYSTEM_POWERIN和SYS_GND之间的电压为正值且大于栅极-源极阈值电压时,Q1 (SI7461DP)接通。如果输入电压为负值(极性反转的故障条件),Q1将断开以防止主电路损坏,其功能类似于二极管。

由于输入电流较高(高达6.67 A),而且MOSFET的低导通电阻可以最大程度地降低功耗,因此P沟道MOSFET要明显优于二极管。例如,当VGS等于−4.5 V时,SI7461DP的导通电阻约为0.02 Ω。电流为6.67 A时,功耗仅为0.9 W。而相同电流下,正向压降为0.6 V的二极管功耗约为4 W。SI7461DP的最大VGS 为±20,可覆盖模块6 V至14 V的输入范围。注意,Q1的栅极偏置电压由分压器R4-R5的输出提供,使得Q1可以承受输入电压变化。


过流检测与保护

设计采用热插拔控制器/数字电源监控器 ADM1178 来检测输入电流,从而测量15 mΩ电流检测电阻R2上出现的压降。通过调制N沟道MOSFET (Q2)的栅极电压,ADM1178内部FET驱动控制器可以调节最大负载电流。当检测电阻上的电压超过100 mV时,栅极驱动电压限制流过Q2的电流,从而保护下游电路。


过压和欠压检测与保护

ADCMP670-1是一款双通道、低功耗、高精度比较器,内置400 mV基准电压源。两个比较器和外部MOSFET(Q4和Q5)均配置为窗口比较器。低电压阈值和高电压阈值(5.54 V和14.35 V)分别由分压器R10–R11和R12–R13设定。如果输入电压在高侧位于窗口之外,VOUTA变为高电平,同时Q5接通,而AD1178的ON引脚被拉低,从而关断Q2。类似地,如果输入电压在低侧位于窗口之外,VOUTA变为高电平,同时Q4接通,而AD1178的ON引脚被拉低,从而关断Q2。


过流、欠压和过压计算总结

过流阈值 = 100 mV ÷ 15 mΩ = 6.67 A

电流检测电阻的功率 = 100 mV × 6.67 A = 0.667 W (use 0.75 W resistor)

高电压阈值 = 0.4 V(R10 + R11)/R11 = 14.35 V

低电压阈值 = 0.4 V(R12 + R13)/R11 = 5.54 V


IC保护技术

此外还有与各电源IC关联的几种保护功能。当输入电压低于上电期间供电轨以可预测方式工作所需的最低电压时,欠压闭锁(UVLO)可以禁用所有输入和IC的输出。热关断(TSD)可以防止IC因高工作结温而发生损坏。过流保护(OCP)还可以在输出端发生短路时保护IC。详情参见各电源IC的数据手册。


通用电源模块中的供电轨描述

此模块提供12个供电轨,具体如表1所示。以下四个供电轨基于同步降压拓扑结构:3.3V(2A)、1.5V(1A)、1.8V(1A)和1.2V(0.5A)。以下两个供电轨基于异步降压拓扑结构:5.0V(1A)和2.5V(1A)。−5 V供电轨由+5.0V(1A)供电轨采用反相降压/升压拓扑结构产生。正负模拟供电轨{Px,Nx}(0.1A)由Sepic-Cuk拓扑结构产生。最后三个供电轨由LDO提供。每个供电轨都具有独立的上电LED指示灯。表1列出了各个供电轨的电压、最大电流能力、电源IC重要特性和典型应用。

表1. 通用电源模块的供电轨一览
输出电压
电流 电源IC
电源
IC
电源
IC电源IC
电源
IC
电源
IC
电源
IC

电源IC概述

典型应用

3.3V 2A ADP1827

ADP1872是一款多功能电流模式同步降压型控制器,采用恒定导通时间、伪固定频率及可编程电流检测增益、电流控制方案,具备出色的瞬态响应、最佳稳定性和限流保护特性。

通用数字电路、I/O电压

5.0V 1A ADP1864

ADP1864是一款紧凑型、价格低廉、恒定频率、电流模式、降压DC/DC控制器。该器件驱动P沟道MOSFET,后者可以采用高达14 V的输入电压和5 A的负载电流工作,并能够以±1.25%的精度将输出电压调低至0.8 V。该器件以100%占空比工作,可提供低压差性能。

1.5V
1A  ADP2114

ADP2114是一款多功能、双通道、同步降压开关调节器,可满足各种客户负载点要求。两个PWM通道既可配置为分别提供2 A和2 A(或3 A/1 A)电流的两路独立输出,也可配置为提供4 A电流的单路交错式输出。为降低输入纹波电流和输入电容,两个PWM通道的相位偏移180°。

MCU、DSP或FPGA的内核电压

1.8V
1A
2.5V
1A
 ADP2300

ADP2300是一款紧凑型、恒定频率、电流模式、降压型DC/DC调节器,集成功率MOSFET,

采用3.0 V至20 V输入电压工作,适合各种应用。

1.2V
0.5A
ADP2108

ADP2108是一款高效率、低静态电流、降压型DC/DC转换器。整个解决方案仅需三个小型外部元件。它采用专有高速电流模式、恒频PWM控制方案,具有出色的稳定性和瞬态响应。以100%占空比工作,可提供低压差性能。

1.0V
2A
ADP1741

ADP1741是一款低压差(LDO) CMOS线性调节器,工作电压范围为1.6 V至3.6 V,能够提供高达2A的输出电流。

Px 0.1A ADP1613

ADP1613是一款升压DC/DC开关转换器,集成电源开关,能够提供高达20 V的输出电压。

模拟或混合信号系统,如ADC、DAC、放大器、模拟多路复用器

Nx 0.1A
3.3V 0.15A ADP151

ADP151是一款超低噪声(9 μV)、低压差线性调节器,采用2.2 V至5.5 V电源供电,最大输出电流为200 mA。

3V 0.1A ADP121

ADP121是一款低静态电流、低压差线性调节器,采用2.3 V至5.5 V电源供电,最大输出电流为150 mA。

-5V 0.2A ADP2301

ADP2301是一款紧凑型、恒定频率、电流模式、降压型DC/DC调节器,集成功率MOSFET,采用3.0 V至20 V输入电压工作,适合各种应用。


低压差线性调节器(LDO)一般要比开关电源更易使用,并且噪声更低,瞬变响应特性更佳。不过,当输出电压远远低于输入电压时,其效率很低,这就限制了其电流输出能力。

开关电源具有高效率和高电流输出,因此通常是电源系统第一级的最佳选择。通过合理设计控制环路并采用良好的PCB布局技术,可以最大程度地减少开关电源造成的噪声。如果设计时注意一些,开关电源通常可用于给以下电路笔记中所述的高性能模拟电路供电:CN-0135、 CN-0137、CN-0141和CN-0193

表2. ADIsimPower的开关转换器设计参数输入
VOUT
VIN(MIN)
VIN(MAX)
IOUT(MAX)
IRIPPLE
VRIPPLE
ISTEP
VSTEP
3.3V(2A)
6V
14V
4A
33% IOUT(MAX)
1% VOUT
80% IOUT(MAX)
5% VOUT
5.0V(1A)
6V
14V
2A
33% IOUT(MAX)
1% VOUT
75% IOUT(MAX) 5% VOUT
2.5V(1A)
6V
14V
1A
33% IOUT(MAX) 1% VOUT
80% IOUT(MAX)
5% VOUT
{Px,Nx}(0.1A)
6V
14V
0.1A
33% IOUT(MAX)
1% VOUT
70% IOUT(MAX)
5% VOUT
1.8V(1A)
3.2V
3.4V
3A
33% IOUT(MAX) 1% VOUT
90% IOUT(MAX)
5% VOUT
1.5V(1A)
3.2V
3.4V
1A
33% IOUT(MAX)
1% VOUT
90% IOUT(MAX)
5% VOUT
1.2V(0.5A)
3.2V
3.4V
0.5A
33% IOUT(MAX)
1% VOUT
90% IOUT(MAX)
3% VOUT


使用ADIsimPower设计单个开关电源

ADIsimPower是一款交互式设计工具,不仅可简化电源IC选择过程,而且还可提供构建最佳线性或DC/DC转换器所需的信息。该工具可执行所有繁琐计算,并可提供最终原理图、推荐物料清单和预测性能。推荐元件均来自大型器件数据库,其中器件均具有已知的电气特性。用户只需向该程序提供系统级输入,如表2中所示的最小输入电压、最大输入电压、输出电压、输出电流、输出电流纹波、输出电压纹波和瞬态响应等。

在这款基于开关控制器和调节器的电源模块中,所有供电轨都是采用ADIsimPower来设计的,不过−5V(0.2A)供电轨除外,后者采用基于反相降压/升压拓扑结构的ADP2301。

若要了解有关ADIsimPower的详细信息,请参见“ADIsimPowerM提供稳定可靠的可定制DC/DC转换器设计” 一文和www.analog.com/ADIsimPower


设计示例1:采用ADP1872的3.3V(2A)供电轨

图3所示为由ADP1872控制的同步降压拓扑结构的电路原理图。此电路可以分为三

常见变化

ADM1275 是一种单芯片解决方案,可为系统提供热插拔控制以及过流、欠压和过压检测与保护。ADM1870具有内部偏置调节器,可为内部电路供电,从而可减少外部元件数量。ADM1870具有内部偏置调节器,可为内部电路供电,从而可减少外部元件数量。ADP1871ADP1873是ADP1870和 ADP1872的省电模式(PSM)版本,也可用于轻负载条件下需要高效率的应用。ADP2116 是一款可配置的3 A/3 A或3 A/2 A双路输出负载组合或合并为6 A单路输出负载,并且与ADP2114引脚兼容。具有大电流输出能力的负供电轨可以由基于Cuk拓扑结构的ADP1621产生。



电路评估与测试

使用直流电源上电后,只需使用6 V至14 V范围内的任意电压即可评估此电源模块。测试任意供电轨的输出能力时,务必确保直流电源能够满足相关要求。ADM1066将在图8所示的预载监控和控制策略下开启所有供电轨。您也可以设计自己的控制策略并通过I2C总线连接器JP1下载到ADM1066,以便利用ADM106x超级时序控制器评估板软件,针对自己的应用实现电源监控和时序控制。详情参见ADM1066数据手册、AN-698 和 AN-0975

EVAL-CN0190-EB1Z评估板的照片如图13所示。

 

图13:EVAL-CN0190-EB1Z通用电源照片

 


设备要求(可以用同等设备代替)


  • Tektronix TDS3034B 4通道300 MHz彩色数字荧光示波器
  • Tektronix P6139A、500 MHz、8 pF、10 MΩ、10倍无源探头
  • Agilent N3302A、150 W、0 A至30 A、0 V至60 V电子负载模块与N3300A相结合
  • Agilent E3631A、0 V至6 V、5 A;0 V至±25 V、1 A、三路输出直流电源
  • Agilent 3458A、8.5位数字万用表
  • Fluke 15B数字万用表
  • USB-SMBUS-CABLE Z(USB转I2C接口电视棒)或CABLE-SMBUS-3PINZ(并行端口转I2C接口电缆)
  • 配有USB接口的PC(Windows 2000或Windows XP)


设置与测试


测量供电轨效率的框图如图14所示。使用10 V直流电源给EVAL-CN0190-EB1Z上电后,将电子负载Agilent N3302A设置为在恒流模式下工作。将Agilent 3440A设置为电流表,并将Fluke 15B设置为电压表。功率输出可以通过将VOUT 与IOUT相乘而计算得出。VIN和IIN可以直接从Agilent E3631A直流电源的显示窗口读取。效率可以通过公式2计算得出:

CN0190_equation2

 

图14:用于测量效率的测试设置

 

纹波和瞬态响应利用图15所示的电路来测量。示波器的通道A监控该模块的输出电压。通道B监控0.1 Ω电流检测电阻上的电压,该电压与负载电流成比例。使用预设幅度和频率将电子负载设置为“开关”模式。然后便可使用示波器捕获输出动态电压和电流。

 

图15:用于测量纹波和瞬态响应的测试设置

 

样片申请及购买

样片

产品

描述

可提供样片的
产品型号

ADCMP670 内置400 mV基准电压源的双路低功耗1.5%比较器

ADCMP670-1YUJZ-RL7

ADM1178 热插拔控制器和数字电源监控器,具有ALERTB输出

ADM1178-1ARMZ-R7

ADM1178-2ARMZ-R7

ADP1864 Constant Frequency Current-Mode Step-Down DC-to-DC Controller in TSOT

ADP1864AUJZ-R7

ADM1066 内置余量微调控制功能和辅助ADC输入的Super Sequencer®超级时序控制器

ADM1066ACPZ

ADM1066ASUZ

ADP1741 2 A、低VIN、压差CMOS线性稳压器

ADP1741ACPZ-R7

ADP121 150 mA,低静态电流,CMOS线性稳压器,采用5引脚TSOT封装

ADP121-ACBZ12R7

ADP121-ACBZ15R7

ADP121-ACBZ165R7

ADP121-ACBZ18R7

ADP121-ACBZ20R7

ADP121-ACBZ25R7

ADP121-ACBZ28R7

ADP121-ACBZ30R7

ADP121-ACBZ33R7

ADP121-AUJZ12R7

ADP121-AUJZ15R7

ADP121-AUJZ18R7

ADP121-AUJZ25R7

ADP121-AUJZ28R7

ADP121-AUJZ30R7

ADP121-AUJZ33R7

adp2108 紧凑型、600mA、3MHz、降压型DC-DC转换器

ADP2108ACBZ-1.0-R7

ADP2108ACBZ-1.2-R7

ADP2108ACBZ-1.5-R7

ADP2108ACBZ-1.8-R7

ADP2108ACBZ-2.5-R7

ADP2108ACBZ-3.0-R7

ADP2108ACBZ-3.3-R7

ADP2108AUJZ-1.0-R7

ADP2108AUJZ-1.2-R7

ADP2108AUJZ-1.3-R7

ADP2108AUJZ-1.5-R7

ADP2108AUJZ-1.8-R7

ADP2108AUJZ-2.5-R7

ADP2108AUJZ-3.0-R7

ADP2108AUJZ-3.3-R7

ADP1613 650 kHz /1.3 MHz升压PWM DC-DC开关转换器,电流限值为2.0 A

ADP1613ARMZ-R7

ADP2114 双通道2 A/单通道4 A、可配置同步降压DC-DC稳压器

ADP2114ACPZ-R7

ADP1872 采用同步电流模式、恒定导通时间的PWM降压控制器

ADP1872ARMZ-0.6-R7

ADP151 超低噪声 200 mA CMOS 线性稳压器

ADP151ACBZ-1.1-R7

ADP151ACBZ-1.2-R7

ADP151ACBZ-1.5-R7

ADP151ACBZ-1.8-R7

ADP151ACBZ-2.1-R7

ADP151ACBZ-2.5-R7

ADP151ACBZ-2.6-R7

ADP151ACBZ-2.75-R7

ADP151ACBZ-2.8-R7

ADP151ACBZ-2.85-R7

ADP151ACBZ-3.0-R7

ADP151ACBZ-3.3-R7

ADP151ACPZ-1.2-R7

ADP151ACPZ-1.5-R7

ADP151ACPZ-1.8-R7

ADP151ACPZ-2.5-R7

ADP151ACPZ-2.7-R7

ADP151ACPZ-3.0-R7

ADP151ACPZ-3.3-R7

ADP151AUJZ-1.2-R7

ADP151AUJZ-1.5-R7

ADP151AUJZ-1.8-R7

ADP151AUJZ-2.5-R7

ADP151AUJZ-2.8-R7

ADP151AUJZ-2.9-R7

ADP151AUJZ-3.0-R7

ADP151AUJZ-3.3-R7

ADP151TUJZ3.3-EPR2

ADP151WAUJZ-1.8-R7

ADP2300 1.2 A、20 V、700 KHZ异步降压开关调节器

ADP2300AUJZ-R7

ADP2301 1.2 A、20 V、1.4 MHZ异步降压开关调节器

ADP2301AUJZ-R7

ADM1170 1.6 V至16.5 V热插拔控制器

ADM1170-1AUJZ-RL7

ADM1170-2AUJZ-RL7

AD628 高共模电压、可编程增益差动放大器

AD628ARMZ

AD628ARZ

ADCMP350 内置0.6 V基准电压源、开漏低电平有效输出比较器,采用4-SC70封装

ADCMP350YKSZ-REEL7

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