中心論題:
- 普通嵌入式系統(tǒng)的供電方式。
- 同步降壓型轉(zhuǎn)換器的改進(jìn)。
- 綠色電源技術(shù)簡介。
- 多相工作減小輸入紋波電流、輸出紋波電壓和總的RFI特征。
- PWM可橫跨多個數(shù)量級的負(fù)載電流范圍內(nèi)實現(xiàn)高效運作。
- 對電源轉(zhuǎn)換效率影響最小的方式提高開關(guān)頻率提高電源性能。
大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是由48V背板供電的。這個電壓通常要降至較低的24V、12V或5V的中間總線電壓,以向系統(tǒng)內(nèi)的電路板支架供電。然而,這些電路板上的大多數(shù)分支電路或集成電路要求在低于1~3.3V的電壓范圍內(nèi)工作,電流范圍為數(shù)十mA至數(shù)十A。因此,需要負(fù)載點(POL)DC/DC轉(zhuǎn)換器將24V、12V或5V電壓軌降至這些分支電路或集成電路所需的電壓和電流值。
由電池供電的便攜式產(chǎn)品制造商也面臨著日益增大的壓力,他們要將更多功能塞進(jìn)外形尺寸已經(jīng)受限的產(chǎn)品中,同時還要獲得更長的電池工作時間。例如,大多數(shù)便攜式媒體播放器(PMP)都有視頻和MP3播放功能。因此,內(nèi)部電子電路需要多種具有不同功率級的低壓輸出軌。很明顯,導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因是,大多數(shù)大規(guī)模數(shù)字集成電路的工作電壓是 1.2V或更低,而同時存儲器和I/O電壓需求可能在2.2~3.3V之間。這樣,直接對鋰離子電池使用多個單POL DC/DC轉(zhuǎn)換器越來越不實用了,因此系統(tǒng)設(shè)計師正在采用更加集成化的方法。
與傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器相比,同步降壓型轉(zhuǎn)換器在電池工作時間上有極大改進(jìn),因為它提高了轉(zhuǎn)換效率。這類轉(zhuǎn)換器一般具有95%的轉(zhuǎn)換效率,而且?guī)缀鯚o須任何散熱措施。然而,這種高效率是以占用更多電路板空間為代價的,因為每個通道都要增加一個電感器,因此保持最小總體解決方案占板面積極其重要。通過將多個通道整合到一個同步降壓型解決方案中,這些通道就可以全部用一個輸入電容器工作,從而可保持解決方案占板面積最小。
為什么需要綠色電源
最近,“綠色環(huán)保”概念廣為流行,在新聞媒體中有大量報道。結(jié)果,大多數(shù)工業(yè)化國家普遍接受了需要節(jié)約能源這一觀點。這是因為,隨著這些國家人口的增加,他們對能源的需求也增加了,他們需要給新房子的加熱/冷卻系統(tǒng)、照明和家用電器供電。不僅建立新的發(fā)電設(shè)施耗費大量金錢,電能產(chǎn)生后向用戶供電的成本也很高。據(jù)觀察,與建立新的發(fā)電設(shè)施相比,將大多數(shù)家用電器的電流能耗降低15%~20%是更經(jīng)濟的做法。
由于建立新的發(fā)電設(shè)施成本很高,因此很多國家已經(jīng)采用了所謂的“綠色政策”,以此鼓勵制造商在最終產(chǎn)品中納入節(jié)能技術(shù)。在這種政策激勵下,很多電源管理產(chǎn)品供應(yīng)商在提高產(chǎn)品電源轉(zhuǎn)換效率和降低產(chǎn)品在備用模式時的功耗方面取得了很大進(jìn)步。
就用于節(jié)能型DC/DC轉(zhuǎn)換器的電源管理集成電路而言,必須具有兩個主要特點。首先,必須在寬負(fù)載電流范圍內(nèi)具有非常高的轉(zhuǎn)換效率。其次,在備用和停機模式時必須有低靜態(tài)電流。
就很多嵌入式系統(tǒng)而言,在電壓日益降低的情況下不斷提高電流這種需求,繼續(xù)推動著電源統(tǒng)的發(fā)展。在這一領(lǐng)域取得的很多進(jìn)步都可以追溯到電源轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域取得的成果,尤其是電源集成電路和電源半導(dǎo)體的改進(jìn)??偟膩碚f,這些組件允許以對電源轉(zhuǎn)換效率影響最小的方式提高開關(guān)頻率,為提高電源性能做出了貢獻(xiàn)。能夠做到提高開關(guān)頻率并對效率影響最小,靠的是降低開關(guān)和接通狀態(tài)損耗以及容許高效率地去除熱量。不過,向較低輸出電壓遷移給這些因素帶來了更大的壓力,這又導(dǎo)致了極大的設(shè)計難題。
多相工作被認(rèn)為是用于轉(zhuǎn)換拓?fù)涞囊话阈孕g(shù)語,在這些拓?fù)渲?,用兩個或更多轉(zhuǎn)換器處理單個輸入,轉(zhuǎn)換器相互同步,但以不同的鎖定相位工作。這種方法減小了輸入紋波電流、輸出紋波電壓和總的RFI特征,同時在輸出電壓完全穩(wěn)定的情況下允許單個大電流輸出或多個較低電流輸出。就用一個單片器件提高輸出電流能力而言,它還允許使用較小的外部組件,因為多個較小的MOSFET可以非常容易地“在芯片上”制造出來。
盡管降壓型轉(zhuǎn)換器應(yīng)用更加普遍,但是多相拓?fù)淇梢耘渲贸山祲骸⑸龎荷踔潦钦な?。今天,?2V輸入至1.xV輸出的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%是尋常之事。此外,通過運用一種脈沖跳躍、脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù),還可以輕松地在橫跨多個數(shù)量級的負(fù)載電流范圍內(nèi)實現(xiàn)高效運作。這還有一個附帶的好處,即向負(fù)載提供小電流時能夠獲得低靜態(tài)電流。通常情況下靜態(tài)電流在幾十μA范圍內(nèi)。
用于嵌入式系統(tǒng)的方案與用于電池供電的手持式設(shè)備的方案沒有太大不同,可能的例外是,很多便攜式應(yīng)用對組件高度有嚴(yán)格限制。這可能成為電源轉(zhuǎn)換器的難題,因為電感器和濾波電容器通常屬于最高的組件。然而,多相架構(gòu)非常適用于這類應(yīng)用,組件高度甚至降低到僅為1.5mm。
不同模擬集成電路供應(yīng)商提供的很多單片多相轉(zhuǎn)換器與可比較的單相轉(zhuǎn)換器相比,尺寸會更小,高度更低,能以更高效率和更低輸出紋波提供超過10W的輸出功率。
例如,考慮單片、同步、高開關(guān)頻率(每相高達(dá)2MHz)、四相電源集成電路架構(gòu)。這類產(chǎn)品的一個例子是LTC3425,如圖1所示。它允許使用多個體積小、成本低的電感器,而不是單個又大、又笨重的電感器,而且與同類單相電路相比,需要少得多的輸出濾波器電容,因為有效的輸出紋波頻率高達(dá)8MHz。此外,所需的全部功率MOSFET都在芯片內(nèi)。這非常適用于需要使用扁平組件以及空間受限的電路板和便攜式設(shè)備。
另外,用多相方法設(shè)計轉(zhuǎn)換器與設(shè)計傳統(tǒng)單相轉(zhuǎn)換器沒有不同。所有電源開關(guān)都在內(nèi)部,因此四相工作是透明的。所有四相的限流值和開關(guān)頻率都可以非常容易地用單個電阻編程,就像在單相設(shè)計中一樣。類似地,輸出電壓設(shè)置和環(huán)路補償與其他熟悉的DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計也沒有不同。
這種類型POL轉(zhuǎn)換器的同步四相架構(gòu)在寬負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)了高效率,同時允許使用扁平的組件。最后,由于輸出紋波電流以4:1的比例降低,因此用小尺寸和較低成本的陶瓷電容器就可實現(xiàn)非常低的輸出電壓紋波。
結(jié)語
由于在機箱內(nèi)空間有限和冷卻等多種限制因素,以及需要正確的電源跟蹤,以提高系統(tǒng)可靠性,幾乎任何系統(tǒng)的POL DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計師都面臨著很多難題。盡管必須克服大量限制因素,設(shè)計師們還是有路可走的,不同模擬集成電路制造商最近推出的很多穩(wěn)壓器,可提供簡單、緊湊、高效率和功能豐富的解決方案。