高性能多路输出开关电源控制器与多路输出电源模块及其应用
鲁思慧
1、通信与各类终端设备对多路、多频电源控制器提出需求
电脑调制调器电源，基站电源片及消费类各种终端设备的发展，它们对其所提供的电源的种类与特性有了新的需求，从而必然带来的对DC-DC开关电源控制器产生了新变化。即：要求高性能、特殊的、多路、多频输出开关电源控制器及能多路输出电压与电流的电源模块的需求。值此本文将对其作一介绍，并以典型的多路输出开关电源控制器为例的应用设计作分析说明。
2、可用于对Spartan-3
FPGA三路供电的高度集成的TPS75003 DC-DC控制器
该TPS75003
DC-DC控制器是是三输出电源管理设备，具有特殊功用的多频输出解决方案，能为FPGA/DSP/ASIC提供完整电源管理解决方案。其特点是：由两个DC/DC控制器和一个LDO组成，见图1兰色框所示。该设备是专门针对Xilinx公司的Spartan-3
FPGA应用设备而设计，可为FPGA提供各种需求的电源。图1为TPS75003引脚与当VIN=5V时，为三路输出(1.2V/2A、3.3V/2A、2.5V/300mA)应用示意图。
* TPS75003
DC-DC控制器的特性
集成度-针对终端设备电源的特殊需求、特殊功用的电源管理设备有着不同的集成度。该芯片会根据各种特性制成如充电器、线形稳压器、DC/DC控制器或DC/DC转换器等组件。另外，有些设备还集成了该芯片特殊的通讯界面，如I2C以能来控制电压和其他功能。
封装-由于集成度的不同，所以还要考虑到功耗。对高度集成设备来说，多数封装的底部都有散热片来提高散热效果。
功率和外部组件数量-集成后的电源转换设备，其典型特征就是组合了从LDO到电荷泵，及电感DC/DC稳压器等不同的电源转换器。每种特定尺寸封装的多种LDO设备可提供的通道最多，外部组件数量最少，但转换效率最低。集成几个感应式DC/DC转换器的设备需要较大的封装，而且外部电感器也多。便携式应用中的典型设备可以提供最佳的转换效率，还可延长电池的使用寿命。
3、多路电源输出电压与电流的开关电源芯片APSl004
APSl004是—款高效率5通道电源管理单元，专门针对数码相机设计，亦可用于对数码摄像相机，掌上电脑等其他便携式设备的电源提供。图2所示为APSl004内部框图与多路电源输出电压、电流负载示意图。
3.1 APSl004内部组成。从图2可知APSl004包括以下通道：
*升压型转换器：用于3.3V主电源输出，效率高达95%，内置功率开关管，可在0.7V至5.5V输入电压范围工作，输出电压在2.7V至5.5V范围可调。
*降压型转换器：用于1.5V DSP内核供电，效率高达92%，可与升压型转换器组合成效率高达87%的升压-降压模式转换器，或者直接从电池进行降压则转换。
*辅助PWM控制器-升压型控制器，用于5V马达驱动。
*辅助PWM控制器-升压型控制器，用于15VLCD供电。
*辅助PWM控制器-升压型控制器，与外部功率开关管及变压器配合，用于产生-7.5V和+15VCCD偏置。
所有通道工作在同—开关频率，此开关频率可通过外部电阻调节，以方便在外部器件尺寸，成本和效率之间进行优化。器件内置有软启动，Power-OK输出，过载保护等。APSl004采用小外形32-pin5mmx5mmQFN封装。可提供测试工具包以方便设计。
3.2主要特征：升压型转换器效率高达95%，降压裂转换器效率高达92%；在升压-降压模式下，效率可达87%；最小0.7V输入电压；三个辅助升正型PWM控制器；待机电流仅为2μA；开关频率最高可达1MHz；是软启动；具有过载保护；紧凑的32-pin，5mm×5mmQFN封装。
3.3
APSl004作为数码相机的电源提供的应用范例，见图3(a)与3(b)所示，除此以外还可在个人媒体播放器，数码摄像机及掌上电脑等领域上应用。
4、采用电压前馈的中等输入范围(4.5V至28V)、高效同步降压型DC-DC控制器 TPS40070
4.1主要特点：可在4.5V至28V的输入电压范围内工作；高达1MHz的可编程固定频率；为电压模式控制器；采用防交叉传导电路的Predictive
Gate Drive技术；精度高于1%的700mV内部基准；用于高压侧和同步N沟道MOSFET的内部栅极驱动输出；有热停机保护功能；TPS40070仅供应电流；可编程高压侧检测短路保护；封装型为16引脚HTSSOP
Power PAD(PWP)。图4为TPS40070引脚(兰色框图)与典型应用图
4.2应用：可在网络设备、电信设备、基站及服务器上应用
5、用于笔记本电脑电源的双通道、DDR可选同步降压型控制器TPS51020
5.1主要特点：宽输入电压范围为4.5V至28V；可选双通道或DDR模式；可选固定频率电压模式；集成可选输出放电；高级电源良好(Powe
rGood)逻辑电路可监视两个通道；可选自动跳跃模式；为集成限幅二极管；两个通道之间具有180°相移;集成5V、60mA稳压器;输入前馈控制;精度达1%的0.85V内部基准；RDS(ON)过流检测(4200ppm/℃)；为集成OVP(过压保护)、UVP(欠压保护)和电源良好(Power
Good)定时器；封装型式为30引脚TSSOP(DBT)。
图5为TPS51020引脚(兰色框图)与典型应用图
5.2应用：可压笔记本电脑系统总线和I/O及DDR或DDR2终端方面使用。
6、用于个人媒体播放器的双通道1.5MHz、600mA同步降压转换器APSl026
6.1功能
APSl026是一款单片式双通道、高效率、15MHz恒定开关频率、电流模式PWM同步降压转换器。APSl026在每一通道内置功率开关管和同步整流开关，确保高效率，无需外部二极管。它可工作在2.5V至5.5V输入电压，足以单节锂电池供电的便携式设备的理想选择。
APSl026的每一通道可在输入电压3V时提供600mA电流.它允许低压差工作，占空比可达100%，延长了便携式设备的电池工作周期。在输出低电流时，用户可通过改变Mode/Sync管脚的电平来灵活选择脉冲跳跃模式和节能模式。脉冲跳跃模式的输出纹波电压小，而节能模式的效率高。图6(a)为APSl026引脚与典型应用图。
6.2特征：高效率达96%；600mA输出电流(Vin=3.0V)；1.5MHz恒定频率操作；低静态工作电流40μA；无需外部肖特基二极管；内部功率开关管导通电阻极低035Ω；低电压基准允许低至0.6V的输出电压；电流模式实现优异的线性和负载瞬态响应；短路保护和过温保护；待机电流小于µA；具有上电复位输出；振荡器可与外部时钟同步；采用小型耐热增强型10引脚MSOP和3mmX
3mmDFN-10封装。
6.3应用领域：除在个人媒体播放器应用之外，还可在数码相机、移动电话、掌上电脑及调制解凋器上使用。
7、高性能多路输出开关电源控制器SC2463及其应用
7.1功能
SC2463提供了4.5V至30V的宽输入电压范围，两个可设置达700KHz开关频率的开关转换器，能提供高达15A输出电流及低至0.5V输出电压。它还提供了二个正输出电压线性调节器。芯片TSSOP-28小封装极大地减小了线路板面积。
SC2463两个异相降压开关转换器可以减小输入电流纹波，允许使用更少的输入电容。高达700KHz的开关频率可以减少输出电压纹波并且降低噪音，同时还可以减小输出电感和电容的尺寸。其它的特性还包括软启动，电源正常指示，和频率同步。如图7所示，电源VIN，PVCC和AVCC都给SC2463供电。其中AVCC为芯片内部振荡器、开关、低差压稳压器和电源正常电路提供偏置电压。PVCC是用来驱动低端场效应管。当VIN高于14V时，需串连一个100K的电阻或一个外部PNP晶体管作为线性调节器来提供给AVCC和PVCC偏置电压。SC2463利用一个内部电流源和一个连在ILIM和AGND之间的外部电阻来调节通过场效应管电流限流值。
7.2工作启动
如图8所示，SC2463启动时由一个5µA电流源给软启动SS管脚充电。当SS管脚电压达到0.5V时，第一个开关转换器开始启动。误差放大器的参考电压随软启动信号开始上升。当SS管脚电压达到3V时，将立刻被下拉到大约0.7V，此时第二个开关转换器开始按照第一开关转换器的形式进行软启动。当SS管脚电压第二次到达3V，便会被第二次下拉至大约0.7V，此时二个正向LDO被启动。正向LDO的参考电压随SS管脚电压开始上升。SS管脚将会上拉至电源电压AVCC。此时间是由SS管脚上的软启动电容值(C5)来控制。如果SS管脚被外部信号下拉至0.5V以下，SC2463则不能工作。电源正常信号输出(POK)监测开关转换器中误差放大器的反馈电压(FB)。如果这电压高于0.55V或低于0.45V，POK管脚便会被拉低，并且保持低态直到启动结束。低端栅极驱动器由PVCC供电并提供1A的峰值电流。高端栅极驱动也能提供lA峰值电流。
图8中A波形是软启动SS管脚上的电压。SC2463的1.2V输出电压首先建立。随后建立的输出电压是3.3V。二组线性稳压的2.6V和1.8V输出电压最后建立。其如图7所示为用SC2463建立的3.3V、2.6V、1.8V、1.2V四路输出电压的设计线路图。
7.3、电源设计要点
降压式开关电源功率器件基本上是由滤波电感，输出滤波电容，输入滤波电容和功率场效应管所组成。
7.31.电感设计
输出电感的选择/设计基于输出DC和瞬态的要求。较大的电感值可减小输出纹波电流和纹波电压，但在负载瞬变过程中改变电感电流的时间会加长。较小的电感值可得到低的直流铜损，但是交流磁芯损耗和交流绕线电阻损耗会变大。折衷的方法是选择电感纹波电流峰值至峰值在输出负载电流额定值的20%到30%之间。
假定电感纹波电流(峰值至峰值)是负载直流电流的20%，那么输出电感值为：
以图1中开关转换器#2为例，VIN=5V，Vo=3.3V，Io=3A，fs=150KHz，由此计算出来的电感值是12.5µH。可选用市场上很容易采购到的15µH
/5A表面贴电感。
7.32输出电容
输出电容应按照输出电压纹波和负载动态变化要求来选择。输出电感产生的纹波电流会在输出电容串联等效电阻(ESR)上产生输出电压纹波(VRIPPLE)。为了满足输出电压纹波要求，输出电容寄生串联电阻(ESR)必须满足下公式：
以图7为例，
VIN=5V，Vo=3.3V，fs=150KHz
，L=15µH，VRIPPLE=50mV，那么计算出来的ESR值是100mΩ.在本例中采用了一个ESR为mΩ，电容量为100pF钽电容。
7.33功率场效应管
场效应管是通过它的内阻(RDSON)，栅极电容及电荷(Qg)和封装热阻(
)这3个参数来选择的。利用SC2463 1A内置驱动器，一个栅极电荷为25nC的场效应管(FDS6898A)会产生大约25nS的开关升/降时间(ts=25nC/1A)。ts会在上端场效应管开关时产生开关损耗(PQl-l _S)：
上端场效应管(Q1-1)的栅极损耗(PQI-I_GATE)可由此近似公式得到：
上端场效应管在导通时的损耗为：
上端场效应管总损耗(PQ1-1)是它的栅极损耗，传导损耗，和开关损耗的总和：
由于在上端和下端场效应管之间无重叠传导，流过下端场效应管漏极和源极之间的寄生二极管或管总会在下端场效应管导通之前导通。下端场效应管导通电压仅为一个在漏极和源极之间二极管的电压(VsD=0.7V)。此下端场效应管开关损耗为：
下端场效应管的栅极损耗(PQl-2_GATE)也可由此近似公式得到：
下端场效应管在导通时的损耗为：
在死区时间内Q1-2的损耗是在它寄生二极管上的传导损耗(PQl-2_D)：
其中tDEAD是电源控制芯片上下端场效应管驱动的死区时间。SC2463的死区时间约为100ns。
Q2总损耗(PQ2)是它的栅极损耗，传导损耗，开关损耗和寄生二极管传导损耗的总和：
以图7为例，FDS6898A上下端导通内阻都是14mΩ，整个FDS6898损耗为0.34W。
场效应管的结温可由下公式计算：
从FDS6898A手册上可查到它最大的结温至室温热阻是78~C/W
，如果图7电源环境最高温度是450℃，那么Q1工作结温(TQ1_ J)为72℃(45+78·0.34)。这温度远小于FDS6898A 150℃的结温限制。这里假设Q1被直接焊在二盎司铜层和一平方英寸面积的PCB散热焊盘上。如果需要更进一步降低Q1的结温，可以增加PCB散热焊盘面积或将Q1套上外加的散热器。另外，芯片到散热焊盘的焊接，封装芯片材料，热接触面，热结合性能，可得到的有效散热区域和环境空气流动状况(自然或强制对流)都对场效应管晶片的温升都有很大的关系。实际温度的测量和验证是场效应管热设计的关键。
图7中开关转换器#1(12V→1.2V/3A)中的功率器件可用同样方式来设计。
8、结束语
多路、多频电源控制器的型号与规格很多，对于多输出的电压应用非常适合。它的高度集成减少了线路板面积，降低了产品的成本.，芯片中内置的输出电压启动顺序满足了许多系统芯片的上电要求。为此在选择上应视终端与各通信设备的要求及指标来确定.
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