【導(dǎo)讀】隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，所有電子系統(tǒng)中包含的功能內(nèi)容數(shù)量不斷增多，可用空間卻在不斷減少。手機(jī)有觸摸屏、手電筒、省電模式和精巧的攝像頭。以前汽車(chē)儀表盤(pán)上只有基本的AM收音機(jī)和少量簡(jiǎn)易的儀表，現(xiàn)在卻裝滿(mǎn)了精密的儀器儀表、衛(wèi)星收音機(jī)、藍(lán)牙®、GPS和其他基于手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接、多彩車(chē)燈以及無(wú)數(shù)的USB接口。工業(yè)計(jì)算機(jī)包含條形碼讀碼器、大屏幕、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和發(fā)光鍵盤(pán)。醫(yī)療電子設(shè)備包含傳感器、多強(qiáng)度閃光燈、儀表和省電模式。
不變的是對(duì)電源和功率的需求。隨著便攜式和系統(tǒng)電子功能不斷增加，它們對(duì)功率的需求也隨之增加，特別是在用到以下這些復(fù)雜的電子IC時(shí)：
● 圖形處理單元(GPU)
● 現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)
● M微控制器和微處理器
● 可編程邏輯器件(PLD)
● 數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)
● A專(zhuān)用集成電路(ASIC)
● 可編程邏輯器件(PLD)
這些復(fù)雜的數(shù)字器件需要高功率密度多電壓軌電源，這些電源具有高電流、低電壓和快速瞬態(tài)響應(yīng)特性。這些嚴(yán)格的要求和特定的高性能要求（如低噪音或數(shù)字控制）加在一起，為電源設(shè)計(jì)人員提供先進(jìn)的解決方案造成了不小的壓力。在所有情況下，電源設(shè)計(jì)人員也應(yīng)保持同步跟上這些器件需求的演進(jìn)。
功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著諸多挑戰(zhàn)，包括滿(mǎn)足嚴(yán)格的空間要求、有限的工作溫度范圍和噪聲規(guī)格。器件高度集成可以幫助節(jié)省PCB空間，但需要高效的功率器件確保溫例如，如今的汽車(chē)儀表盤(pán)中包含多種在較高環(huán)境溫度下運(yùn)行的電子系統(tǒng)，所以溫度監(jiān)控和報(bào)告非常重要，對(duì)于電源管理組件尤其如此。系統(tǒng)控制器可以對(duì)超溫(OT)警報(bào)作出響應(yīng)，并采取緩解措施來(lái)防止系統(tǒng)過(guò)熱，例如關(guān)閉不太重要的功能或限制處理器、顯示器和網(wǎng)絡(luò)通信。
從電源角度來(lái)看，即使是最基本的汽車(chē)儀表盤(pán)信息娛樂(lè)控制面板都需要多個(gè)不同電流的低壓電源電軌（輸出電平），總電流只有幾安培，高級(jí)控制臺(tái)需要的更多。傳統(tǒng)上，低壓電軌一般是采用許多微型負(fù)載點(diǎn)(POL)分立式功率調(diào)節(jié)器IC產(chǎn)生，或者，采用高度集成的大型電源管理集成電路(PMIC)產(chǎn)生。許多PMIC通常具有超過(guò)需求更多的電壓軌，因此需要更大尺寸的電路，而其中某些電軌的功率可能不足，無(wú)法滿(mǎn)足額外集成的目的。
另一個(gè)潛在設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是需求蠕變，或者產(chǎn)品規(guī)格的改變速度跟不上開(kāi)發(fā)發(fā)展的速度，例如輸入和輸出電壓、輸出電流的變化。需求蠕變會(huì)嚴(yán)重影響集成電路和相關(guān)分立式組件的選擇。在最好的情況下，如果系統(tǒng)規(guī)格在電路板布局確定之后發(fā)生變化，則可以通過(guò)改換可調(diào)輸出轉(zhuǎn)換器上的電阻來(lái)調(diào)節(jié)電壓。在最糟糕的情況下，當(dāng)更新之后的電流電平超過(guò)現(xiàn)有轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)電流額定值時(shí)，需要采用引腳排列不兼容的IC來(lái)更換多個(gè)IC。即使是最小的功能改變，都可能要求重新進(jìn)行IC、電路板或系統(tǒng)級(jí)別的認(rèn)證，出現(xiàn)成本增加、計(jì)劃延遲的情況。
解決這些問(wèn)題的方法，是使用多輸出的功率IC。相比純粹的分立式、單輸出或雙輸出IC，PMIC提供的輸出更多，占用的空間更少，且需要的器件數(shù)也更少。這種電壓調(diào)節(jié)器是一個(gè)多輸出功率IC，提供可配置的多個(gè)中等功率電軌，且解決方案的尺寸小巧。理想情況下，這種IC可以配置成輸出各種電壓和電流，以適應(yīng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的電源需求變化，避免重新認(rèn)證，并縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。此外，它可以在高于5 V的輸入電壓下高效工作，所以可以用于各種應(yīng)用場(chǎng)合，例如12 V至18 V的電壓適配器。除此以外，需要的特性還包括：集成安全和監(jiān)控特性、寬溫度范圍運(yùn)行，以及具備較高熱性能的創(chuàng)新封裝設(shè)計(jì)等。
靈活、可配置的20 V多輸出功率IC
ADI的Power by Linear™ LTC3376 是一款高度集成的通用電源管理解決方案，適用于需要多個(gè)低壓供電軌的系統(tǒng)。該器件可配置為可從最高20 V的輸入提供1至4個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)輸出，具備15種可行輸出電流配置，總輸出電流最高可達(dá)12 A；詳情參見(jiàn)圖1。這種靈活性使得LTC3376非常適合用于多種多通道應(yīng)用，包括電信、工業(yè)、汽車(chē)和通信系統(tǒng)。
圖1. LTC3376簡(jiǎn)化功能框圖。
LTC3376具備4個(gè)獨(dú)立的降壓穩(wěn)壓器通道、8個(gè)可配置的1.5 A功率級(jí)、靈活的時(shí)序和故障監(jiān)測(cè)功能，總可用輸出電流為12 A，峰值降壓效率為96%，在所有通道上的輸出電壓精度為±1%。每個(gè)通道可由獨(dú)立的3 V至20 V輸入電源供電，輸出電壓的范圍最低可至0.4 V。相鄰輸出可通過(guò)單個(gè)共享電感并聯(lián)排列，以簡(jiǎn)化電路。DC-DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)CFG0到CFG3引腳進(jìn)行配置，由系統(tǒng)分配采用15種功率配置中的一種。無(wú)需采用外部BST電容，因?yàn)樗鼈円驯患傻椒庋b中。
LTC3376的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器支持兩種工作模式：突發(fā)工作模式(Burst Mode®)（默認(rèn)的上電模式），可在輕載下提供更高效率，強(qiáng)制連續(xù)脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式，可在輕載下提供更低噪聲。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器從內(nèi)部補(bǔ)償，只需采用外部反饋電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓。降壓轉(zhuǎn)換器提供輸入限流（軟啟動(dòng)，在啟動(dòng)期間限制浪涌電流）、差分輸出檢測(cè)和短路保護(hù)。該器件配有一個(gè)可編程、可同步的1 MHz至3 MHz振蕩器，默認(rèn)采用2 MHz開(kāi)關(guān)頻率。
在四個(gè)轉(zhuǎn)換器全部啟用的情況下，靜態(tài)電流僅為42 μA。其他特性包括：四個(gè)電源良好引腳，指明啟用的DC-DC轉(zhuǎn)換器是否在指定目標(biāo)輸出的百分比內(nèi)；電流監(jiān)測(cè)器，從外部監(jiān)測(cè)每個(gè)降壓穩(wěn)壓器的負(fù)載；一個(gè)EXTVCC 引腳，用于改善效率；準(zhǔn)確的RUN引腳閾值，以確定上電時(shí)序；一個(gè)裸片溫度監(jiān)測(cè)器輸出（通過(guò)TEMP引腳上的模擬電壓讀取），顯示外部裸片溫度；以及超溫功能，過(guò)載條件下裸片溫度較高時(shí)禁用降壓穩(wěn)壓器。
LTC3376采用緊湊的64引腳7 mm × 7 mm倒裝引腳球柵陣列(BGA)封裝。在–40°C至+125°C工作結(jié)溫范圍內(nèi)，指定采用E和I級(jí)。
靈活性和可配置性
LTC3376本身具備的靈活性使其可以采用15種不同的輸出配置：
● 單個(gè)電感，單個(gè)輸出12 A降壓，所有功率級(jí)在內(nèi)部組合，產(chǎn)生最大的電流輸出。
● 四種可能的雙降壓組合，兩個(gè)電感，總輸出電流總和為12 A。
● 五種三通道降壓組合，每種三個(gè)電感，總電流12 A。
● 五種四通道降壓配置，每種四個(gè)電感，總電流12 A（參見(jiàn)圖2）。
圖2. 典型的四通道輸出應(yīng)用電路。
查看表1，了解15種可能的輸出配置的列表。設(shè)計(jì)期間要求發(fā)生變化時(shí)，這種靈活性可以實(shí)現(xiàn)輕松調(diào)整，從而繼續(xù)使用LTC3376，無(wú)需再對(duì)新IC實(shí)施認(rèn)證。
表1. LTC3376：15種12 A總電流輸出配置示例
出色的熱設(shè)計(jì)和緊湊型解決方案
LTC3376通過(guò)在其緊湊的64引腳7 mm × 7 mm倒裝引腳球柵陣列封裝中組合采用多種封裝技術(shù)，提供一種緊湊、具備較高熱效率的解決方案。封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使用銅柱代替鍵合線(xiàn)，內(nèi)部旁路電容和集成式襯底接地平面進(jìn)一步提高EMI，降低對(duì)PCB布局的敏感度，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并降低性能風(fēng)險(xiǎn)（參見(jiàn)圖3了解詳情）。此外，裸片中的功率器件排列可以最大化熱性能，均衡分配功耗。
(a)
(b)
(c)
圖3. LTC3376倒裝封裝(a)引腳球柵陣列，(b)銅柱在裸片下方以及(c)集成旁路電容。
圖4所示為采用4 × 3 A、四通道降壓穩(wěn)壓器（總輸出電流12 A）的LTC3376完整解決方案。解決方案總尺寸緊湊小巧：有效面積僅為~1.5 cm × 2.9 cm ~ < 4.4cm2.
圖4. LTC3376演示板，展示提供5 V、3.3 V、2.5 V和1.8 V輸出的4 × 3 A降壓解決方案。
額外的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、安全和保護(hù)
除了可配置性外，LTC3376還具備多種安全特性，對(duì)由它供電的系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)測(cè)和保護(hù)。每個(gè)降壓穩(wěn)壓器關(guān)聯(lián)的PGOOD引腳會(huì)報(bào)告功率故障情況。每個(gè)降壓穩(wěn)壓器都配有電流監(jiān)測(cè)器，該監(jiān)測(cè)器在IMON引腳上產(chǎn)生電流，電流的值與平均降壓負(fù)載電流的值成比例。
為了防止LTC3376和其周?chē)慕M件遭受熱損壞，LTC3376集成了超溫功能。當(dāng)LTC3376裸片的溫度達(dá)到165°C（典型值）時(shí)，所有開(kāi)啟的降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器關(guān)閉，并保持關(guān)閉狀態(tài)，直至裸片溫度降低至155°C（典型溫度）。
LTC3376還包含一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)器：可通過(guò)對(duì)模擬TEMP引腳電壓采樣來(lái)讀取裸片溫度。通過(guò)TEMP引腳電壓表示的溫度T的計(jì)算公式如下：
其中，VTEMP 是TEMP引腳上的電壓。
可配置的降壓穩(wěn)壓器系列
表2顯示整個(gè)可配置的四通道和八通道降壓穩(wěn)壓器系列，其中LTC3376是新產(chǎn)品。LTC3376具備最高的總輸出電流（最高12 A）和最高的輸入電壓容量（最高20 V）。LTC3376具備最高的總輸出電流（最高12 A）和最高的輸入電壓容量（最高20 V）。
觀(guān)看產(chǎn)品視頻，請(qǐng)?jiān)L問(wèn) analog.com/ltc3376。
表2. ADI的Power by Linear系列可配置四通道和八通道降壓穩(wěn)壓器
結(jié)論
在技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，汽車(chē)信息娛樂(lè)、消費(fèi)電子手持設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用的功能性?xún)?nèi)容愈加豐富。在許多情況下，這些系統(tǒng)的輸入電壓都超過(guò)5 V，并由復(fù)雜的低電壓、大電流數(shù)字IC供電，這些IC本身都有獨(dú)特的功率需求。傳統(tǒng)上，電壓電軌和電流電平都由眾多分立式功率調(diào)節(jié)器IC支持，或由尺寸相對(duì)較大、過(guò)度集成的電源管理集成電路或PMIC支持。兩者都不具備靈活性，尺寸也不小巧。
采用單通道、四通道或八通道多輸出功率IC來(lái)替換這些方案是一個(gè)明智的選擇。LTC3376引腳可配置的PMIC就是新一代多輸出功率IC的示例。它是一個(gè)20 V輸入的數(shù)字可編程、高效率多輸出功率電源IC，包含四個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器和八個(gè)內(nèi)部功率級(jí)（總IOUT 最高12 A），且輸出電壓低。由于可以采用多達(dá)15種不同的輸出電流配置，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以利用其靈活性來(lái)消除功率模塊系統(tǒng)變化和特性蠕變帶來(lái)的影響。無(wú)需過(guò)早實(shí)施價(jià)格高昂的電路板或系統(tǒng)級(jí)認(rèn)證，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)成本并減少升級(jí)時(shí)間和成本。
推薦閱讀：
