中心議題:

• 討論負載點消費類電子設備的電源管理解決方案

解決方案:

• 針對內核與I/O上電時序提供建議的時序指南
• 使用高阻抗鋁電容或低阻抗陶瓷輸出大電容

技術進步

由於更高的集成度、更快的處理器運行速度以及更低的價格目標
，針對數字電視
、線纜調製解調器以及機頂盒的負載點(POL)處(chu)理(li)器(qi)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)具(ju)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)。多(duo)年(nian)來(lai)
，隨(sui)著(zhe)集(ji)成(cheng)度(du)的(de)提(ti)高(gao)和(he)工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)的(de)進(jin)步(bu)，設(she)計(ji)旨(zhi)在(zai)用(yong)於(yu)消(xiao)費(fei)類(lei)電(dian)子(zi)應(ying)用(yong)的(de)數(shu)字(zi)處(chu)理(li)器(qi)和(he)模(mo)擬(ni)ASIC受益匪淺。現在，工藝技術的進步也可用於現成的負載點電源管理電路。本文將討論一些電源管理設計所麵臨的挑戰，如：選擇最佳的輸出電容、解決排序問題以及最少化部件數量等問題。為了解決這些問題，通過利用可保持係統低成本的電源管理器件工藝技術的進步，TI開發出了一款新型雙通道、降壓DC/DC轉換器。現xian在zai隻zhi需xu要yao電dian源yuan設she計ji的de基ji礎chu知zhi識shi就jiu可ke以yi設she計ji出chu一yi款kuan高gao性xing能neng電dian源yuan，從cong而er使shi設she計ji師shi將jiang主zhu要yao精jing力li放fang在zai其qi他ta重zhong要yao方fang而er，以yi使shi其qi消xiao費fei類lei電dian子zi產chan品pin更geng成cheng功gong
、成本更低而且功能更強大。
 　　
非便攜式消費類電子設備都是由不同類型的AC/DC電源供電的。例如：線纜調製解調器是由一個簡單的牆上適配器供電的

，而液晶電視則在其機殼中集成了一個具有功率因數校正(PFC)功能的、可提供數百瓦功率的比較複雜的電源。在上述每個AC/DC電源中
，根據具有較大負載電流的係統所需要的最高DC電壓，AC電源可轉換為常見的DC電壓，如：5V
、12V或24V。其負載可以是線驅動器

、冷陰極燈管(CCFL)背光逆變器或凋諧器模塊。

對(dui)於(yu)消(xiao)費(fei)類(lei)應(ying)用(yong)而(er)言(yan)，將(jiang)兩(liang)個(ge)電(dian)源(yuan)集(ji)成(cheng)到(dao)一(yi)個(ge)芯(xin)片(pian)上(shang)
，並(bing)采(cai)用(yong)低(di)引(yin)腳(jiao)數(shu)量(liang)的(de)小(xiao)型(xing)封(feng)裝(zhuang)具(ju)有(you)諸(zhu)多(duo)好(hao)處(chu)。大(da)多(duo)數(shu)消(xiao)費(fei)類(lei)應(ying)用(yong)都(dou)需(xu)要(yao)多(duo)個(ge)低(di)電(dian)壓(ya)軌(gui)來(lai)為(wei)邏(luo)輯(ji)電(dian)路(lu)供(gong)電(dian)。在(zai)這(zhe)些(xie)應(ying)用(yong)中(zhong)

，雙(shuang)通(tong)道(dao)轉(zhuan)換(huan)器(qi)可(ke)以(yi)將(jiang)單(dan)個(ge)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)兩(liang)個(ge)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)MOSFET組合在一個緊湊型器件中。許多ASIC和處理器都需要內核電壓和I/O電壓，這可能存在排序要求。一款雙通道輸出DC/DC轉換器可以將電路集成，以實現輸出電壓排序要求的輕鬆實施。減少DC/DC轉換器的數量可以從多方麵節約成本
，例如：由於在電路板上焊接組件數量的減少，從而加速了產品上市進程，簡化了設計、降低了采購限製並提高了可靠性。

要使雙通道、高電流DC/DC轉(zhuan)換(huan)器(qi)成(cheng)為(wei)現(xian)實(shi)的(de)技(ji)術(shu)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)諸(zhu)多(duo)設(she)計(ji)因(yin)素(su)。由(you)於(yu)在(zai)一(yi)個(ge)封(feng)裝(zhuang)中(zhong)包(bao)含(han)了(le)兩(liang)個(ge)轉(zhuan)換(huan)器(qi)，所(suo)以(yi)要(yao)保(bao)持(chi)器(qi)件(jian)的(de)低(di)功(gong)耗(hao)就(jiu)是(shi)一(yi)個(ge)很(hen)人(ren)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。如(ru)欲(yu)實(shi)現(xian)較(jiao)小(xiao)的(de)電(dian)路(lu)麵(mian)積(ji)
，低(di)阻(zu)抗(kang)MOSFET的集成至關重要
，但同時還要滿足轉換器封裝的散熱要求。不幸的是，降低電源MOSFET的導通電阻就意味著增大矽裸片的麵積，此舉會增加芯片的尺寸和成本。DC/DC轉換器廠商經常麵臨著這樣進退兩難的僵局：要麼縮小MOSFET的尺寸以滿足芯片小型封裝的要求
，要麼增大MOSFET的尺寸以降低功耗並提高效率。借助一流的工藝技術，TPS54386在尺寸與效率之間實現了平衡――小型14引腳HTSSOP封裝中每個MOSFET的導通電阻為85mΩ。對於消費類電子設計師來說，將同類競爭產品寬輸入電壓範圍的DC/DC轉換器的導通電阻進行比較
，並對其效率進行測量以確保獲得最佳值是個不錯的想法。圖1顯示了一款用於雙通通道輸出DC/DC轉換器的典型應用電路

，該轉換器具有集成的高壓側MOSFET。
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雖然使用雙通道轉換器有諸多好處，但相似的單通道DC/DC轉zhuan換huan器qi通tong常chang也ye有you很hen廣guang的de市shi場chang前qian景jing。當dang兩liang個ge低di壓ya輸shu出chu的de目mu標biao負fu載zai之zhi間jian相xiang隔ge很hen火huo的de距ju離li時shi
，使shi用yong兩liang個ge單dan通tong道dao控kong製zhi器qi要yao比bi使shi用yong一yi個ge雙shuang通tong道dao轉zhuan換huan器qi好hao的de多duo。在zai高gao電dian流liu的de情qing況kuang下xia，PWBxianjidedianzuhuijiangdifuzaideshuchudianya。zheyangjiuhuiyingxiangdianyuandewenyajingduhegonghao。zaiwanchengdianlubujuzhiqian，duidianlubanzuoyigejingxindeguihuayouzhuyuquedingshicaiyongyigeshuangtongdaozhuanhuanqi，haishicaiyonglianggedantongdaozhuanhuanqigenghaoxie。

排序

越來越多的處理器廠商開始針對內核與I/O上電時序提供建議的時序指南。除了可以滿足內核與I/O上shang電dian時shi序xu要yao求qiu以yi外wai
，對dui電dian源yuan進jin行xing排pai序xu還hai有you助zhu於yu降jiang低di啟qi動dong時shi的de浪lang湧yong電dian流liu。當dang多duo個ge電dian源yuan軌gui同tong時shi啟qi動dong時shi
，對dui主zhu電dian源yuan就jiu提ti出chu了le更geng高gao的de要yao求qiu。如ru果guo在zai大da電dian流liu充chong電dian(charging bulk)時伴隨著電流消耗(current draw)，qiepangludianrongfeichangda
，namezhudianyuankenenghuitiaobianzhidianliuxianzhishezhizhi
，congerdaozhiqiguanduan。jiaocuodianyaguiyouzhuyuzuishaohuayulangyongdianliuyouguandewenti。weilejiejuezhexiewenti，tu1suoshideshuangtongdaozhuanhuanqitigongledandukaiqideyinjiao，yishiyingjutideqidongshunxu。zaixiangdianyuanshuruyinjiaoshijiadianyayihou

，kenenghuishiyongyigeyuqidongyinjiaoxiangliandeR-C電dian路lu來lai延yan遲chi相xiang關guan輸shu出chu的de開kai啟qi。此ci外wai，排pai序xu引yin腳jiao還hai允yun許xu用yong戶hu選xuan擇ze順shun序xu排pai序xu或huo比bi例li排pai序xu。對dui於yu比bi例li排pai序xu而er言yan，每mei個ge輸shu出chu端duan都dou會hui在zai進jin入ru穩wen壓ya的de同tong時shi，以yi最zui終zhong輸shu出chu電dian壓ya決jue定ding的de比bi例li斜xie坡po上shang升sheng(見圖2)。而對於順序排序而言，當一個輸山端實現穩壓以後
，另一個輸出端才開始啟動。通過SEQ引腳，用戶可以對其中的任何一個輸出端進行編程
，以使輸出端先完成斜坡上升。如果需要的話，開啟引腳可以實現單獨轉換。

近(jin)年(nian)來(lai)
，將(jiang)兩(liang)個(ge)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)為(wei)異(yi)相(xiang)的(de)技(ji)術(shu)得(de)到(dao)廣(guang)泛(fan)青(qing)睞(lai)。實(shi)現(xian)兩(liang)個(ge)獨(du)立(li)電(dian)壓(ya)穩(wen)壓(ya)器(qi)在(zai)一(yi)個(ge)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)運(yun)行(xing)可(ke)以(yi)共(gong)享(xiang)一(yi)個(ge)輸(shu)入(ru)電(dian)容(rong)，並(bing)以(yi)單(dan)個(ge)轉(zhuan)換(huan)器(qi)頻(pin)率(lv)2倍的比例吸收(draw)紋波電流。當以180°的相位差運行這兩個電壓穩壓器時，總RMS輸入電流被降低了，從而減少了所需輸入電容的數量。在此情況下，振蕩器頻率也實現了內部穩定(該頻率是轉換頻率的2倍)。這兩個輸出端在內部實現了交互轉換周期運行(即以180°的相位差運行)。該技術減少了大體積電容的數量，因此降低了係統成本。此外
，通過消除兩個轉換器之間的拍頻(beatfrequency)，同步技術還減少了EMI。

DC/DC轉zhuan換huan器qi可ke以yi用yong來lai實shi施shi反fan饋kui網wang絡luo中zhong的de內nei部bu或huo外wai部bu補bu償chang。外wai部bu補bu償chang提ti供gong了le選xuan擇ze各ge種zhong電dian感gan與yu電dian容rong組zu合he的de靈ling活huo性xing
，但dan是shi對dui於yu那na些xie不bu擅shan長chang模mo擬ni設she計ji的de數shu字zi設she計ji師shi來lai說shuo，控kong製zhi環huan路lu補bu償chang與yu穩wen定ding性xing判pan斷duan標biao準zhun無wu疑yi是shi非fei常chang麻ma煩fan的de。在zai此ci方fang法fa中zhong，首shou先xian是shi要yao選xuan擇zeLC濾波器
，然後再決定補償網絡。內部補償不但簡化了設計，而且減少了外部組件的數量，但是設計師必須在一定的LC組件範圍內進行選擇。因此
，必須選擇適當的LC濾lv波bo器qi，以yi保bao持chi穩wen定ding性xing。為wei了le降jiang低di設she計ji和he生sheng產chan成cheng本ben，該gai轉zhuan換huan器qi集ji成cheng了le補bu償chang組zu件jian。這zhe樣yang就jiu可ke以yi在zai提ti供gong選xuan擇ze電dian感gan和he輸shu出chu電dian容rong值zhi靈ling活huo性xing的de同tong時shi，減jian少shao組zu件jian的de總zong數shu量liang。
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使用高阻抗鋁電容或低阻抗陶瓷輸出大電容

由於成本較低，鋁電解質電容在消費類電子領域非常受歡迎。鋁電解質電容具有相對較高的等效串聯電阻(ESR)，其阻值隨著溫度的改變會發生很大的變化，但是可提供大電容。為了降低總ESR(隨之而來的是降低輸出紋波電壓)，bixujiangruogangelvdianjiezhidianrongbinglianqilai，zheyanghuizhanyongjiaoduodekongjian。erxiangduijiaoxiaodetaocidianrongzekeyihelvdianrongbinglian，yijiangdiwenbodianya。wuluncaiyongnazhongfangfa，doubixuduigonglvjijinxingshidangdebuchang。youleneibubuchangzujiandebangzhu，ruguozaishuchulvboqizhongcaiyongleyigegaoESR電容，那麼在環路響應中就會引入一個零點，這樣會導致環路的不穩定。通過引入一個極點(該極點的單個小型陶瓷電容與較低的分壓電阻並聯)，該零點可以被輕鬆地去除。

最新的陶瓷電容技術已將電容值大大提高，並降低了成本。低ESR陶瓷電容將被用於較高的轉換頻率，並且是鋁電解質電容的替代解決方案。在使用具有內部補償器件的低ESR陶瓷電容時，需要在反饋網絡中添加一個零點以減小交叉頻率(crossover frcquency)處的增益斜坡，並提供一個相位升壓。可以通過將一個小型電容與上麵的分壓電阻井聯來添加一個零點。

結語

元器件集成度的提高使數字設計師可以專注於主要工作，而將更多的設計任務留給電源芯片廠商。通過在一個芯片上集成多個轉換器、集成排序方案並使用低成本濾波器，DC/DC轉換器廠商實現了多種功能的集成，從而降低了成本和複雜度。