負載點穩壓器設計利器:IC構型高效能負載點 DC/DC μModule

本文作者:admin       點擊: 2006-03-07 00:00
前言:
系統開發者不斷尋求一個易於組裝,且具有IC大小封裝、小型、低高度且高效能的負載點穩壓器,如此的穩壓器可善加利用位於系統板底部的板面空間,對於低高度且高整合度的DC/DC解決方案而言,此提供的空間是相當可用的。

簡介
現存的負載點DC/DC模組穩壓器,如負載點(POL)電源供應器,是以針腳穿洞方式組裝在印刷電路板上,或者是以表面黏著方式置入系統板中,對於許多高密度佈件基板的先進系統架構,如AdvancedTCA或CompactPCI而言,這些電源供應器都太高,並且也佔用太多空間,對於價值$15,000美元的24cm x 35cm的系統板而言,以支付一個電源供應器的眼光來看,這將會是一筆可觀的費用。這些較小構型系統,在有限的板面空間中卻有較高的功率需要。

此意謂著,電源穩壓器必須以更高效率提供更多功率,以限制在較小的接腳佔位空間內的功率散失,而且負載點穩壓器必須是一個具有非常快速瞬變響應的高頻開關穩壓器,以限制總體設計的解決方案尺寸。 

其結果是,系統開發者不斷尋求一個易於組裝,且具有IC大小封裝、小型、低高度且高效能的負載點穩壓器,如此的穩壓器可善加利用位於系統板底部的板面空間,對於低高度且高整合度的DC/DC解決方案而言,此提供的空間是相當可用的。 

LTM4600 DC/DC μModule
對於許多有板面空間限制的負載點穩壓器設計,LTM4600 μModule提供一個解決方案。μModule是包裹在一個15mm x 15mm x 2.8mm LGA表面黏著型封裝。 此封裝是專為元件頂部與底部提供散熱片之安裝而設計,針對電源配置而言,固定導通時間的電流模式架構,可提供非常快速暫態響應與精準的電流限制控制。在同步操作下μModule以800 kHz進行開關切換,於一個小尺寸空間內提供非常高的效率。 

LTM4600EV μModule工作於從4.5V到20V的輸入供應範圍,LTM4600HVEV μModule則操作於從4.5V到28V之間。在遵循規格書所規範的一些輸入到輸出電壓差距的限制下,輸出電壓可被編程於0.6到5V之間,輸出電流可高達14A峰值以及10A連續值。錯誤預防功能包括過電壓保護與過電流保護。圖1展示了LTM4600 μModule相較於1/4美元硬幣的大小,此小型解決方案甚至可被組裝在系統板的背面。 

典型設計
圖2展示一個針對2.5V負載點穩壓器的典型LTM4600EV設計。此設計需要許多外部的輸入電容,以實現資料頁內所討論的RMS漣波電流之額定範圍,輸入端採用兩顆低ESR 10μF 25V陶瓷電容,輸入功率一般會經由一個低電感通道而連接到模組的輸入端,此項需求可消弭在輸入端任何共振式LC響鈴效應的產生,從而防止任何在較高輸入電壓範圍時過壓情況發生。如果電源是透過一段導線帶至模組的輸入端,則一個與陶瓷電容並聯的小鋁電極可用於抑制因低 ESR 陶瓷電容或導線電感所引起的響鈴作用,輸出電壓可由一個位於VOSET 接腳至接地間的外部電阻來設定,內部參考電壓為0.6V而輸出電壓設定方程式為VOUT  = 0.6V * (100k +R2)∕R2。輸出電容須選擇低 ESR 值以維持在暫態轉移過程中,輸出電壓的初始電壓降趨近在ΔVOUT = (Istep * Rth-esr),此處的Istep是負載步階電流而Rth-esr是所有輸出電容的並聯等效 ESR。為了保持在控制迴路恢復時輸出電壓能在一指定範圍,大容量輸出電容需求是必須的,這約略等於Δvout = (Istep * 迴路導通時間) / Cout。規格書中的大多數暫態波形顯示控制迴路的響應是沒有時間延遲的,這是LTM4600波谷模式控制架構的獨特之處。輸出電壓一般的導通時間約在4到6微秒,完全回復則在20到25微秒的時間級距。舉例來說,當步階電流為 5A、導通時間為6微秒,採用470μF pos cap與三個22μF陶瓷電容,則輸出電壓的變化約為~55mV,這只是大約估算,需要用實際的電路來驗證。圖5顯示2.5V設計的暫態波形。

Run/SS接腳具有雙重功能,可用於控制輸出電壓的軟啟動,也可用來啟動穩壓器。LTM4600元件內建軟啟動的數量可參考相關資料,Comp接腳可用於並聯模組以增加電流。藉著降低因內部5V LDO穩壓器的所產生的內部功率損失,EXTVCC接腳可用於改善在高輸入電壓下的效率。假如一個具有至少50mA的外部5V供應許可下,此外部5V供應可被連接到EXTVCC接腳以供應閘極驅動電流到模組內,從而降低模組內部功率散失,在輸入電壓高於12V的情況時,這是格外確實的。FADJ接腳可用於斷開頻率調整路徑,必要時,可搭配電容完成此功能,頻率則是內部設定。針對在電池運作產品的輕負載條件下,則可將FCB接腳綁定到VOUT接腳,從而將電源模組設定成不連續省電模式。輸出電壓必須大於如資料頁所規範的FCB門檻電壓,其中圖示在輕載下的效率差異,是FCB接腳的一種功能。

效能圖示與波形


對於高功率穩壓應用場合,兩個LTM4600 μModules可並聯在一起以加倍輸出電流,圖 6為使用兩個模組並聯的2.5V @ 20安培設計電路圖,模組架構是電流模式控制,因此在應用上兩個模組是電流共享的,圖7則顯示了兩個並聯模組間典型的電流分配情況。

高電壓24V輸入應用

圖8展示24V至5V的應用。此設計是使用LTM4600HVEV元件,其額定最大輸入電壓為28V,因此需要一個嚴格穩壓的24V供應。5V輸出被連回EXTVCC接腳,以從輸出操縱內部閘極驅動,此可從24V輸入中移除供應閘極驅動電流之需求,從而改善效率。建議使用一個如電路圖上標示的外部散熱器以達成 7A 的輸出電流,功率損失曲線則如圖9所示。在7安培的負載電流時,總輸出功率為35W,以及5W的功率損失。在一個3.75" X 2.75", 2oz銅內層與1oz銅外層的4層測試板上,LTM4600元件具有大約14oC/W的ΘJA,外部散熱器則可將ΘJA降至約9oC/W,此相當於在沒有散熱器情況下,會造成比環境溫度高70oC的溫升,以及在有散熱器時,比環境溫度高45oC的溫升,此高於環境溫度的溫升等於ΘJA 乘上功率損失,所以為了達成此輸出功率,散熱裝置在任何的週遭條件下都是一個絕對必須的需求。在較高的環境溫度下,進一步下修額定輸出電流是必須的,目的在維持元件內總溫升於100oC以下。總溫升是環境溫度加上因功率損失所造成的元件內溫升,空氣對流加上散熱裝置可改善輸出功率。

規格書
針對具有空間限制的電源設計,LTM4600提供一個理想的解決方案。μModule是一個獨特的電源元件,其整合了所有高效能電源供應所必須的零件於一個小尺寸封裝內。μModule的焊接方式則如同任何其它表面黏著式積體電路一般,且僅需非常少的外部元件,μModule可被並聯使用以加倍功率的輸出,產品設計週期因而獲得前所未有的縮短,LTM4600的易於使用更將大幅減短上市時程。(詳細圖表請參見雜誌)

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