嵌入式POLDC/DC转换器设计

大多数嵌入式系统都是通过 48V 背板供电的。这个电压通常要降为更低的 12V 或 5V 中间电压，以向系统内的电路板供电。然而，在这些电路板上，大多数电路都要求供电电压范围在 0.8V～3.3V，电流范围为几十mA至几十A。因此，需要负载点(POL)DC/DC 转换器对 12V 或 5V 降压，以获得所需的电压和电流值。 在这类系统中，空间较小，难得有冷却系统，因此，就任何 POL 转换器而言，具有小体积和高效率都极为重要。此外，很多微处理器和DSP都同时需要内核电源和I/O电源，这两种电源在启动时必须排序。设计师必须考虑在加电和断电操作时内核与 I/O 电源的相对电压和时序，以满足制造商的要求。如果电源排序不恰当，就可能出现闭锁或过大的电流消耗，这有可能导致微处理器 I/O 端口损坏或存储器、PLD、FPGA、数据转换器等器件的 I/O 端口损坏。为了确保在内核电压恰当偏置之前不驱动 I/O 负载，必须跟踪内核和 I/O 电源电压。尽管就任何给定 DC/DC 转换器而言，启动和停机跟踪都可以从外部实现，但是不同系统的电源排序要求却各不相同。其解决方案包括：采用可通过可编程接口配置或用外部组件配置的专用标准产品(ASSP)、基于微控制器的可编程解决方案和 FPGA 解决方案。 功能丰富的芯片 可实现更高的灵活性 在嵌入式系统中，跟踪或排序不良的后果常常是使器件产生不可修复的损坏。FPGA、PLD、ASIC、DSP 和微处理器一般都将二极管作为 ESD 保护组件，放置在内核电源和 I/O 电源之间。如果电源违反了跟踪要求并使保护二极管处于正向偏置状态，那么器件就有可能损坏。电压排序、跟踪和裕度控制已经成为 DC/DC 转换器模块的常见功能，但是这些功能在 DC/DC 控制器芯片中却不常见。凌力尔特公司的同步降压型控制器 LTC3770具有上述三种电源管理功能。LTC3770 还有一些与众不同之处，如快速瞬态响应、允许与系统时钟同步的锁相环(PLL)以及高度准确的基准。这款电流模式控制器能够用 4V~32V 的输入电压工作，可以在电流高达 25A 时产生降压输出。 LTC3770 的恒定导通时间、谷值电流模式架构加之非常低的最短导通时间(典型值为 50ns)允许控制环路迅速响应负载步进。LTC3770 可以通过检测同步功率 MOSFET 两端的压降进行 RDS(ON) 电流检测。就需要更精确的输出电流控制的系统而言，可以在低端 MOSFET 的源极接入常规检测电阻。无论在哪种情况下，限流值都是用户可编程的。该控制器能以非常低的占空比工作。在极端情况下，低至 0.6V 的输出可以由高达 32V 的输入电压提供，甚至在无负载的情况下也一样。在需要这么低输出电压的应用中，该芯片电压基准的高精确度就变得极为重要。LTC3770 规定在室温时输出电压准确度为 ±0.5%，而在 0℃~85℃时为 ±0.67%。在该器件整个工作温度范围内(-40℃~85℃)，输出电压的总误差也只有 ±1%。该控制器的工作频率可以通过单个外部电阻选择。就需要严格以恒定频率工作的应用而言，锁相环允许 LTC3770 与外部时钟同步，这有助于降低 EMI。
LTC3770 的裕度控制功能是电阻可编程的。放置在可编程裕度控制输入引脚和地之间的电阻设置裕度控制电流。这个电流乘以 VREFOUT 和 VREFIN 引脚之间的电阻值，决定了裕度控制电压偏移。此外，实现裕度控制功能的 MSB 和 LSB 逻辑输入共同决定该芯片是处于高裕度、低裕度还是无裕度状态。对于需要在测试时通过改变电源电压增大系统负担的用户来说，这一功能尤其有用。 新型解决方案 LTC3418非常适用于嵌入式系统，该器件是一种 4MHz、单片同步降压型 DC/DC 转换器，采用恒定频率、电流模式架构。LTC3418 可在 2.25V~5.5V 的输入电压下工作，并提供 0.8V~5V 的稳压输出，同时提供高达 8A 的输出电流。开关频率由外部电阻设定或与外部时钟同步。OPTI-LOOP补偿可在较宽的负载和输出电容器变化范围内优化瞬态响应。 另外推出的适用于总线转换器的芯片，如实现同步正激式转换器的多相(PolyPhase)副端控制器 LTC3706，该器件与LTC3705 栅极驱动器和主端控制器一起使用时，可形成一个完整、兼有多相工作能力和副端控制速度的隔离电源。LTC3706 简化了高效率、副端正激式转换器的设计。LTC3705 和 LTC3706 形成了一个坚固的自启动转换器，消除了对单独偏置稳压器的需求，副端控制应用常常使用这种稳压器。此外，一个专有电路还通过单个纤巧型脉冲变压器对栅极驱动信号以及隔离势垒两端的 DC 偏置电源进行多路转换。适用于 POL 系统应用的另一个芯片是 LTC3736-1，这是一个具有跟踪功能的两相、双路同步降压型开关控制器，驱动外部互补功率 MOSFET。其恒定频率、电流模式架构和 MOSFET VDS 检测消除了对电流检测电阻的需求，这降低了成本并提高了效率。让两个控制器反相工作最大限度地降低了功耗和由输入电容器 ESR 引起的噪声。
LTC3736-1 独特的扩展频谱架构可在 450kHz～580kHz 范围内随机改变开关频率，从而极大地降低了输入和输出电源端的峰值辐射噪声和传导噪声。这样就更容易符合国际 EMI 标准了。脉冲跳跃工作提高了轻负载时的效率，同时，100% 占空比可实现低压差工作。