设计面向高级数据系统的高效、高功率 DC/DC 电源架构

在人们不断追求更高的系统工作效率和性能的过程中，数据存储和通信系统中的数字及混合信号组件的工作输入电压呈现出日益走低的趋势。在许多场合中，此类系统内部的大多数组件所需的最大输入电压如今仅为 3.3V。在这种情况下，可以对传统的 5V 或 12V 中间电压轨进行旁路，并将 24VDC 或 48VDC 背板分配电压直接转换为一个 3.3V 的两用总线和电源轨。很多高功率 DC/DC 砖式模块供应商 (例如：Emerson 和 TDK-Lambda 公司) 已经认识到这一发展趋势，他们通过大幅提升其在高降压比操作中的性能轻松地实现了 92% 的效率指标。利用该 3.3V 中间总线，后续的负载点稳压器可产生更低的电压 (即：2.5V、1.2V、1.0V 等)，以用于给电源存储器、ASIC / FPGA 内核及高速 I/O 等等供电。

    从中间总线进行直接转换可提供另一项优势，就是可以减少印刷电路板 (PCB) 中用于完成电源轨至负载布线所需的铜箔层数。以一块具有一个仅用作中间总线的 5V 电压轨的 PCB 为例，它包含两个用于支持 3.3V 和 1.8V 电压轨的 DC/DC 转换器。采用一根 3.3V 中间总线和单个 3.3V 至 1.2V 转换器重新设计的相同电路板将很有可能具有较少的铜箔层 (3 个电压轨现减为 2 个)。在电路板上最终形成的总体解决方案其尺寸是极具吸引力的，同时免除了将 5V 电位传送至 PCB 的某个完整部分的需要。在 PCB 的制造过程中尽可能减少铜箔层数的选项具有降低成本与节省材料的潜力，并有望改善良率及可靠性。

    另外，对于从诸如超级电容器等后备电源来实现系统运作而言，较低电压的中间总线轨也是很合适的。与电池相比，超级电容器可支持较高的峰值电流、功率密度、较宽的工作温度范围和较低的 ESR，因而越来越多地被用作短时供电电源，以对电池后备系统提供补充。 由于超级电容器的最大充电电压仅为 2.3V 至 2.7V，因此，使用高效率的低输入电压降压型转换器能够最大限度地增加系统准备时间，以在主电源重新接通之后实现快速系统恢复。

传统解决方案的局限性
    采用传统的 DC/DC 降压型解决方案时，开关稳压器或开关控制器需要一个大约 5V 的最小输入电压或偏置电压，用于驱动 N 沟道功率 MOSFET。在电流传导期间，需要利用该最小电压将功率 MOSFET 驱动至低导通电阻区域。对于改善工作效率 (特别是在网络及存储系统中经常遇到的大电流条件下) 的努力而言，导通电阻的任何增加都是不利的。对那些通过将中间轨电压降至最低的组件输入电源电压 (比如 3.3V) 以设法提高工作效率和降低生产成本的系统来说，所面临的挑战是如何最好地支持电流消耗通常仅为 50mA~100mA 的偏置电源 —— 增设一个 5V 输出高电压降压型稳压器；增设一个升压型转换器 (从 3.3V)；或者继续使用现有的 5V 中间总线。在组件数目、设计工作量、PCB 复杂性、可靠性、成本及工作效率方面，上述的选择方案均需要采取一些令人不快的折衷措施。

    一种更好的替代解决方案
    另一种旨在解决本文前面所提及的低工作输入电压难题的可选方案是 LTM4611 降压型 µModule® 稳压器。该器件隶属于一个新的 DC/DC 转换器系列，是从传统型开关电源管理解决方案发展而来，几乎将开关转换器的所有组件 (包括电感器) 都集成到了一个紧凑的表面贴装型封装之中。LTM4611 电源模块采用 1.5V 至 5.5V 的单工作输入电压轨，并将其降压为一个低至 0.8V 的输出电压，且可提供高达 15A 的输出电流。完全内置于一个 LGA 封装之内的自生成偏置电源可支持从单个低电压电源来运作。图 1 示出了一款针对全面运行的 15A 降压型解决方案的 LTM4611 电路原理图。由图可以明显地看出：该电路所需的外部组件极少，可实现紧凑型解决方案和简单的 PCB 布局。

 
图 1：一款完整的电压转换器原理图 (用于从 2.1V 至 5.5V 单输入运作以提供一个 1.8V/15A 输出)

工作效率比较
    从效率的观点来证明传统三级降压架构的合理性是非常棘手的，因为分配电压轨与负载之间的每个降压级的效率都必须远远高于两级解决方案。图 2 示出了先前提出的 5V 中间总线选项以及利用 LTM4611 µModule 稳压器实现的 3.3V 中间总线。在这两种情况下，48V 降压均被模拟为一个 75W Emerson (前 Artesyn) 1/8 砖单输出转换器，其 1.8V 和 3.3V 电压轨承受着 10A 负载。在传统的三级降压架构中，5V 至 3.3V 和 5V 至 1.8V 降压型转换器被模拟为 µModule 稳压器系列中的另一款器件。

 
图 2：三级与两级降压架构示意图 (给出了各自在 10A 输出电流条件下完成从
48VDC 至 3.3VDC 及 1.8VDC 转换时的总功率损耗)

图 3 比较了三级解决方案与采用 LTM4611 的两级解决方案在一个很宽的输出电流范围内 (假设每个电压轨上的输出电流相同) 的效率及总功率损耗。由于砖型模块的最大额定功率为 75W，因此对于 3.3V 和 1.8V 电压轨，三级解决方案可提供的最大输出电流被限制为 13A，而两级解决方案则可各支持高达 14A 的输出电流。如图中的曲线所示，这两种解决方案在回升至 48V 分配电压过程中的总功率损耗差异会相当大，并有可能因此进一步推高成本——源于 PCB 中铜箔面积的增大、实际系统尺寸的增加、散热器的使用、甚至包括为了保持可靠的系统运作而必需提供的强制冷却气流。

图 3：三级与两级转换的效率和功率损耗比较 (从 48VDC 至 3.3VDC 和 1.8VDC)

对于越来越多的产品而言，相比于降低重负载时的功率损耗，减少轻负载时的功率损耗具有同等的重要性 —— 假如不说更重要的话。子系统被设计成尽可能长地工作于较低功耗的待机或睡眠状态 (旨在节能)，并只在需要时候吸取峰值功率 (满负载)。LTM4611 支持脉冲跳跃模式和突发模式 (Burst Mode®) 操作，与连续导通模式相比，其在低于3A负载电流条件下的效率水平有了大幅度的提升。

多个电源的均流以提供 60A 或更大的输出电流
    对于需要提供高达60A输出的电源轨，可支持多达 4 个 LTM4611 µModule 稳压器的均流。电流模式控制使得模块的均流特别可靠且易于实现，同时在启动、瞬变及稳态操作情况下甚至可以确保模块之间的均流。

    相比之下，许多电压模式模块则是通过采用主-从配置或“压降均分 (droop-sharing)”(也被称为“负载线路均分”) 来实现均流。在启动和瞬态负载条件下，主-从模式容易遭受过流跳变，而压降均分则会导致负载调节指标下降，且在瞬态负载阶跃期间几乎无法保证优良的模块至模块电流匹配。LTM4611 通常可在无负载至满负载范围内提供优于 0.2% 的负载调节 —— 在 -40ºC 至 125ºC 的整个内部模块温度范围内则可达 0.5% (最大值)。

负载上的准确稳压
    高电流低电压 FPGA、ASIC、微处理器 (μP) 等常常需要在封装端子 (例如：VDD 和 DGND 引脚) 上提供经过精确调节的极其准确的电压 —— 标称 VOUT 的 ±3% (或更好)。在如此高的电流水平和低电压电平下，PCB 走线中的阻性分配损耗有可能对负载上的电压产生影响。为了满足针对低输出电压的这一严格的稳压要求，LTM4611 提供了一个单位增益差分放大器，用于在电压低于或等于 3.7V 的情况下在负载端子上进行远端采样。由图 1 可见，POL 两端的差分反馈信号 (VOSNS+ – VOSNS−) 在 DIFF_VOUT 上被重构 (相对于模块的局部地 SGND)，从而使得控制环路能够对模块的输出引脚与 POL 器件之间的功率输送通路中的任何压降进行补偿。

    当 LTM4611 的输出电压处于标称 VOUT 的 ±5% 之内时，一个内部输出电压电源良好 (PGOOD) 指示器引脚将提供一个逻辑高电平漏极开路信号；否则，PGOOD 引脚将被拉至逻辑低电平。当输出电压超过了标称值的 107.5% 时，将触发输出过压保护功能电路并接通内部低端 MOSFET，直到这种输出电压过高的状况被清除为止。折返电流限制可在输出短路的情况下保护上游电源和器件本身。

耐热性能增强型封装
    该器件的 LGA 封装允许从顶部和底部散失热量，因而便于使用金属底盘或 BGA 散热器。不管有没有冷却气流，这种封装的外形均有利于实现卓越的热耗散。图 4 示出了 LTM4611 顶面的 IR 热成像图，由图可见：当执行 1.8V 输入至 1.5V/15A 输出转换且无冷却气流时，在实验台上测得的功率损耗仅为 3.2W。

    如前文所述，在 1.8V 的低输入电压条件下，为了以足够的幅度驱动栅极以使功率 MOSFET 完全饱和，不具备偏置电源的传统型电源 IC 解决方案将会十分吃力。因此，其热性能将低于 LTM4611 所能提供的水平 (如图 4 所示)，这是由于后者具有内部微功率偏置发生器。

 
图 4：LTM4611 稳压器从一个 1.8V 输入产生 1.5V/15A 输出时的顶部热成像图。
功率损耗为 3.2W。无冷却气流情况下的实验台测试产生了一个 65ºC 的表面温度热点。

缩减占板面积
    LTM4611 内置于一种耐热性能增强型 LGA (焊盘网格阵列) 封装，具有小巧的焊盘图形 (仅 15mm x 15mm) 和实际体积 (高度仅为 4.32mm —— 占用的空间只有区区 1cm3)，可提供引人注目的效率。除了高效率之外，在给定的输入电压条件下，LTM4611 的功耗曲线相对平坦，从而使 LTM4611 的热设计以及在后续产品中的重复使用变得简单易行 —— 即使在中间总线电压由于 IC 芯片不断缩小而日益下降的情况之下也不例外。

一款可靠的解决方案
    凌力尔特公司的 µModule 稳压器 (比如：LTM4611) 按照与产品序列中的其他封装集成电路一样严格的标准进行测试。在向公众发布之前，产品必须顺利地通过一系列的测试，例如：依据 JEDEC 规范进行的工作寿命测试、+85℃/85% 温度-湿度偏置、温度循环、机械冲击、振动等等。这种原则使工程师们拥有了十足的信心：这些高集成度解决方案完全能够提供堪与传统开关转换器相媲美的可靠性，而后者却需要具有众多相关联的外部组件，必须由采购、制造和质量部门进行购置、装配和检验。

结语
    业界迫切需提高速度性能和降低功耗，因而促使数字组件的工作电压不断降低。为了适应这一发展趋势，DC/DC砖型模块供应商正在推出能够以很高的效率直接将分配电压轨 (24V 或 48V) 降压至一个低于 5V 的输出电压之新型器件。完全为了有效运行传统开关转换器而产生一个 5V 偏置电压轨的做法会增加不希望的成本、功耗、复杂性或组件。LTM4611 内置于单个 LGA 封装 (许多其他的集成电路都采用这种封装) 之中，其在整个输入电压范围内保持了高效率和上佳的热性能。LTM4611 是一款简洁和高度可靠的降压型稳压器，可轻松适应那些需要从低至 1.5V 的输入电压提供高输出电流的负载点应用，并降低了采用 “额外”电压轨的必要性。