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雙輸出DC/DC控制器結合了數字電源系統管理和模擬控制環路以實現±0.5%的VOUT準確度

2013-04-08 16:37:40 本站原創

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凌力爾特公司

電源設計部負責人

Gregory Manlove

盡管電源管理對新式電子系統的可靠運行至關重要，但是在今天以數字方式管理的系統中，穩壓器也許是最后一個仍然存在的“盲點”。就穩壓器而言，很少有辦法直接配置或監視關鍵電源系統運行參數。因此，希望全面實現數字控制的電源設計師必須使用混雜在一起的排序器、微控制器和電壓監察器，以設定基本的穩壓器啟動和安全功能。目前已有數字可編程 DC/DC 轉換器可用，特別是那些為 VRM 內核電源而設計并具備 VID 輸出電壓控制功能的轉換器，但是這類有特定應用目標的轉換器不能直接溝通重要的工作參數，例如實時電流。

LTC3880 / LTC3880-1 結合了雙輸出同步降壓型 DC/DC 控制器和擁有通過基于 I²C 的 PMBus 總線使用全面的電源管理功能，這解決了復雜的電源系統管理問題。PMBus 可用來設定輸出電壓、電壓裕度、開關頻率、排序以及若干其他工作參數 (參見下面“PMBus控制”部分)。

圖 1：采用外部功率 MOSFET 的雙輸出穩壓器

LTC3880 還允許通過 16 位數據采集系統監視電源，這種方法可提供輸入和輸出電壓及電流、占空比以及溫度的數字回讀，其中包括重要參數的峰值。LTC3880 還包括通過中斷標志和非易失性存儲器實現廣泛的故障記錄功能，非易失性存儲器是一種“黑匣子”記錄器，存儲了在故障發生之前瞬間轉換器的工作狀態。

數字電源系統管理的一個主要好處是降低了設計費用，并加速了產品上市。LTC3880 / LTC3880-1 憑借免費提供和可下載的 LTpowerPlay™ 開發軟件，極大地簡化了復雜的多軌系統設計，該開發軟件是一種基于 PC 的全面開發環境 (參見圖 6)。在該環境中，在線測試 (ICT) 和電路板調試僅需要點擊幾下鼠標就可完成，而無需焊接到“白色導線”定位點中。由于可以使用實時遙測數據，所以可以立即得到設計結果，從而有可能預測電源系統故障，并立即采取預防性措施。

也許最重要的是，具備數字管理功能的 DC/DC 轉換器允許設計師開發“綠色”電源系統，這類系統優化了能源利用率，同時滿足系統性能目標 (計算速度、數據傳輸速率等等)。優化可以在負載點、電路板和機架上進行，甚至可以在安裝階段進行，從而降低了基礎設施成本和產品整個壽命期內的總體擁有成本。

為了提供最佳性能調節，LTC3880 堅持采用精確的基準和溫度補償模擬電流模式控制環路，以產生嚴格的 ±0.5% DC 輸出電壓準確度。該模擬控制環路促成了非常容易的補償，環路經過了校準，以不受工作條件的影響，該環路還可實現逐周期限流，并產生快速和準確的電壓及負載瞬態響應，在運用數字控制的產品中沒有見到與 ADC 量化有關的誤差。

LTC3880 具備內置的穩壓器以提高集成度，而 LTC3880-1 允許使用外部偏置電壓以實現最高效率。這兩款器件都采用耐熱增強型 6mm x 6mm QFN-40 封裝，工作節溫范圍為 -40°C 至 105°C (E 級版本) 或 -40°C 至 125°C (I 級版本)。

模擬控制環路確保同類最佳的穩壓器性能

LTC3880 / LTC3880-1 是數字可編程以實現無數功能，這包括輸出電壓和電流限制設定點以及排序?？刂骗h路盡管是純模擬的，但提供了最佳環路穩定性和瞬態響應，而不會產生數字控制環路的量化效應。圖 2 比較了具備模擬反饋控制環路的控制器 IC 與具備數字反饋控制環路的控制器 IC 之斜坡曲線。模擬環路有平滑的斜坡，而數字環路有離散的步進，由于量化效應，這可能導致穩定性問題、較慢的瞬態響應、在某些應用中需要更大的輸出電容以及在 PWM 控制信號上有更大的輸出紋波和抖動。

圖 2：LTC3880 的模擬控制環路與數字控制環路的比較

ANALOG CONTROL LOOP：模擬控制環路

ANALOG CURRENT WAVEFORM：模擬電流波形

FIXED：固定的

DIGITAL CONTROL LOOP：數字控制環路

DIGITAL RAMP：數字斜坡

實際上，與具備數字控制環路的可比較 IC 相比，LTC3880 的模擬控制環路需要使用的輸出電容小 50% 且具有更好的穩定性和更短的穩定時間。此外，由于存在 ADC 分辨率有限引起的量化效應，所以數字控制的瞬態響應在穩定之前有震蕩。圖 3 比較了 LTC3880 的模擬控制環路與同類 IC 的數字控制環路的瞬態響應。請注意，LTC3880 使用約等于數字控制器一半的輸出電容，但產生了更干凈的結果。

圖 3：在 15A 瞬態負載步進情況下，模擬和數字控制環路響應的比較。模擬控制環路需要的輸出電容僅為數字環路的一半，同時實現了卓越得多的穩定時間

ANALOG CONTROL LOOP：模擬控制環路

100mV/DIV：每格 100mV

AC-COUPLED：AC 耦合

15A LOAD STEP：15A 負載步進

DIGITAL CONTROL LOOP：數字控制環路

LTC3880 設計為，當修改其配置文件時，環路增益不變。當修改輸出電壓或電流限制時，瞬態響應不受影響，而且補償環路無需要調節。

PMBus 控制

LTC3880 / LTC3880-1 具備數字設定和回讀，以實時控制和監視關鍵負載點轉換器的功能。配置可通過 I²C 串行接口下載至內部 EEPROM，凌力爾特基于 PC 的 LTpowerPlay 開發軟件支持該接口。圖 4 顯示了具備 USB 至 I²C / SMBus / PMBus 適配器連接的 LTpowerPlay 開發平臺。配置文件存儲在內置的非易失性存儲器中以后，控制器自主加電，而不會增加主機負擔。配置電路板是一項簡單的任務，完全不需要開發固件。