以多通道PMIC用作為單輸出大電流PMIC

作者：ADI 產品行銷工程師 Sai Chaithanya Kaipa 以及產品應用工程師Ye Fan

摘要

現今的電子元件對電力的需求不斷攀升，尤其是高性能處理器和FPGA。在此背景下，電源管理解決方案必須不斷進化，以提供更高的電流並確保設計彈性。本文探討了如何將多通道電源管理積體電路（PMIC）作為單通道大電流電源。並聯多個穩壓輸出可以提升總電流能力，同時保持嚴格的電壓調節和熱平衡。這種技術不僅簡化電源架構，而且提升了設計重用率，減少電路板空間，並改善了數位訊號處理器、處理器、FPGA和微控制器等複雜電子元件中的熱分佈。

引言

在現代電子系統設計中，電源管理積體電路（PMIC）因其能為複雜電源架構帶來設計彈性而越來越受到重視。傳統電源解決方案主要關注效率和電壓調節，而PMIC則更進一步，將多個電源軌、時序控制邏輯、故障保護和遙測功能整合於一個精巧的元件中。多通道PMIC通常用於管理多個電源輸出，每個通道為系統的特定部分提供穩定的電壓。這些元件還可以配置為多相模式，方法是組合多個通道來供應單一大電流軌，進而有效取代單通道大電流調節器。此方法涉及並聯多個通道，以確保各個通道均等分擔負載，防止任何單一通道過載。這種彈性在需要大電流傳輸，同時保持效率和可靠性的應用中特別有用。此類PMIC通常用於數位訊號處理器、處理器、FPGA和微控制器等複雜元件中，其中多個子系統需要不同的功率水準。

為了滿足不同應用的大電流需求，LT7200S 採用薄型5 mm × 6 mm、48接腳LQFN封裝，ADP5055 和ADP5056採用5.00 mm × 5.50 mm LGA封裝，而且全都具有並聯能力以實現大電流供電。

典型應用

隨著數據速度的提升和工作負載的增加，FPGA和SoC不斷演進，以滿足不斷上升的速度和容量需求。電源也必須隨之發展，在提供更大電流的同時，實現更高的功率密度。此外，簡便性和可靠性同樣重要。對於需要15 A以上電流的系統，可以並聯多個LT7200S穩壓器並錯相運行，確保功率輸送高效穩定。圖1和圖2展示了LT7200S的典型應用原理圖，其支援雙相和四相操作，透過並聯為負載提供更高的輸出電流。此款元件採用四相架構，四個內部同步降壓型穩壓器通道能夠高效並聯。每個通道能夠輸出或吸收±5 A的電流。當四相並聯時，合計可向公共輸出端提供高達±20 A的電流。而這是透過精密電流模式控制實現的，其能確保所有通道間精準均流，進而提升熱平衡和系統可靠性。

Figure 1. Quad phase paralleled as a 20 A single-output PMIC. — 圖1.四相並聯作為20 A單輸出PMIC

Figure 2. Dual phase paralleled as a 10 A/10 A dual-output PMIC. — 圖2.雙相並聯作為10 A/10 A雙輸出PMIC

此款元件透過PHMODE接腳支援相位交錯，允許每個通道與其他通道錯相運行，進而顯著減少輸入和輸出漣波。此外，MODE/SYNC接腳支援與外部時脈同步，進而實現協調切換，並盡可能減少敏感應用中的雜訊。

工作頻率可透過外部電阻設定在400 kHz至3 MHz範圍內。用於對開關雜訊敏感的應用時，工作頻率支援外部同步。獨特的「可鎖相、受控導通時間、恆定頻率、電流模式」架構非常適合要求快速瞬態響應的高頻、高降壓應用。

LT7200S採用Silent Switcher^® 2技術，憑藉創新的設計和封裝製程，能夠在實現高效率的同時降低電磁干擾（EMI）。得益於這項獨特技術，這些穩壓器對PCB布局變化的敏感度大幅降低，不僅簡化了設計流程，並顯著提升了整體性能表現。

LT7200S性能圖

圖3顯示了四相LT7200S解決方案的效率。四相配置與圖1所示配置類似，開關頻率為1 MHz，電壓從12 V降至1.2 V。其可提供高達20 A的連續負載電流。 PHMODE接腳接GND，導致每個通道發生90°相移。這種交錯操作能夠減少輸入電流漣波，使熱負荷在整個電路板上均勻分佈，降低對輸入和輸出電容的要求，盡可能減少EMI，並提高系統整體穩定性。為確保在穩態和啟動期間更好地均流，應將ITH、FB和TRACK/SS連接在一起。

Figure 3. LT7200S 4-phase efficiency of 12 V to 1.2 V, 1 MHz. — 圖3.LT7200S四相效率，12 V降至1.2 V，1 MHz

此款元件在12 V輸入下實現了88%的峰值效率，並在20 A滿負載電流下保持86%的效率。圖4顯示了LT7200S在12 V降至1.2 V/20 A條件下工作的熱圖像，顯示其在四相操作期間實現了良好的均流。

Figure 4. LT7200S thermal image for 12 V to 1.2 V at 20 A, 1 MHz, no airflow, TA = 25°C. — 圖4.LT7200S熱圖像：12 V降至1.2 V，20 A，1 MHz，無氣流，TA = 25°C

類似地，ADP5055和ADP5056在一個43接腳LGA封裝中整合了三個高性能降壓型穩壓器，可滿足嚴苛的性能和電路板空間要求。

這些元件可直接連接高達18 V的輸入電壓，無需使用前置調節器。所有通道均同時整合高邊和低邊功率MOSFET，以優化解決方案的效率。通道1和2提供3.5 A或7 A的可編程輸出電流，或在並聯工作模式下提供高達14 A的單路輸出電流。通道3提供1.5 A或3 A的可編程輸出電流。

ADP5055整合高精度8位元數位類比轉換器（DAC），可透過相容PMBus^®的雙線介面，實現輸出電壓動態調節（DVS）。 PMBus介面提供了其他彈性配置，例如啟動和關斷時序控制、單獨的強制脈寬度調變（FPWM）或省電模式（PSM）選擇、輸出放電開關和電源良好訊號。這些元件的額定接面溫度範圍是-40°C至+150°C。

結語

ADP5056、ADP5055和LT7200S等大電流PMIC適合需要高效、彈性、可靠電源管理的應用，並且由於具備高性能、彈性性和高整合度，因此是電信、資料中心和工業自動化等複雜系統的理想選擇。其並聯特性支援多個元件協同工作，進而提升電流能力和可靠性，對於需要可擴展且穩健電源解決方案的客戶十分重要。