簡易電源管理方案降低系統成本

輝輝仔

由於需要更高的整合度、更快的處理器運行速度以及實現更低價格的目標，數位電視、電纜數據機和機上盒(STB)用負載點(POL)處理器電源設計變得更具挑戰性。為解決這一問題，德州儀器公司開發出了一種新型雙通道電壓下降的DC/DC變換器，它在電源管理元件的製程技術上有多項改進，使系統保持了低的成本。持有該變換器，只需基本的電源設計知識就可以設計出高效能的電源，從而讓設計師將重心放在其消費類電子方案的成功、成本效益和耐用上。


POL消費類應用的典型電源架構
非可攜式消費類電子設備採用不同類型的AC/DC電源進行供電。例如，電纜數據機用簡單的壁式轉接器，而液晶電視(LCD－TV)在其機殼內整合了能夠提供數百瓦功率並且可以進行功率因數校正(PFC)的更複雜電源，在這些AC/DC電源內部，根據大負載電流系統內所需的最高DC電壓，AC電源在下行被轉換成常用的DC電壓，如5V、12V或24V。此類負載可以是線路驅動器、冷陰極螢光燈(CCFL)、背光變換器或調諧器模組。

考慮雙輸出電源方案
在一塊矽晶片上整合兩個電源並封裝於腳數少的小型封裝外殼內，這給消費類電子應用帶來許多優勢。大部分消費類電子應用需要多條低壓軌道來支援邏輯電路。在這類應用中，雙(輸出)變換器能夠將兩個變換器上的單個控制器和MOSFET(金屬氧化物半導體場效應電晶體)合併為一個袖珍型元件。許多ASIC(專用積體電路)和處理器既需要核心電壓也需要I/O(輸入/輸出)電壓，並且這兩種電壓可能還有先後順序要求，雙輸出DC/DC變換器可以整合一種容易實現輸出電壓順序要求的電路。
DC/DC變換器IC(積體電路)數量的減少節省了許多方面的成本，例如縮短了上市時間、簡化了設計、減少了採購限制，並因焊接到電路板上的元件極少，還提高了可靠性。
由於一個封裝外殼內有兩個變換器，因此保持這種元件低的功率耗散是一個挑戰。有幾種折衷設計方案實現了雙通道、大電流DC/DC變換器技術，整合低電阻MOSFET是實現小面積電路的關鍵，但是這種變換器封裝的散熱要求也是必須考慮的因素。
不巧的是，降低MOSFET的導通電阻意味著增加矽晶片的面積，這就增加了IC的尺寸和成本。DC/DC變換器製造商始終面臨這一兩難境地－減小MOSFET尺寸將IC裝入小型封裝外殼內或者增大MOSFET尺寸來減少功耗、提高效率。
TPS54386透過採用最新的製程技術實現了尺寸與效率的最佳平衡，採用小型14腳HTSSOP封裝，封裝外殼內每個MOSFET的導通電阻為85mΩ。要確信是否獲得最佳益處，對於消費類電子設計師有一個良好的建議：比較有競爭力的寬輸入電壓DC/DC變換器的導通電阻並判斷效率。
儘管採用雙通道變換器具有優勢，但是類似的單通道DC/DC變換器仍有市場。當兩個低壓輸出端的預定負載間隔距離較大時，採用兩個單通道控制器可能是比一個雙通道變換器更佳的解決方案。在大電流時，PWB(印製線路板)軌跡電阻降低了負載的輸出電壓，從而影響了電源電壓調整精度以及功率耗散，在佈局前對電路板進行細心的設計有助於確定採用一個雙通道變換器還是採用兩個單通道變換器才是更好的選擇。

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整合定序電路
實現電源的定序是一個不錯的設計方法。現在有更多的處理器製造商在為處理器的核心與I/O功率的上升順序制定推薦的定時導則。給電源定序，除了可滿足核心和I/O功率上升的時間要求外，有助於在啟動時降低浪湧電流。
當幾條電源軌道同時啟動時，對主電源的提出了更多要求。如果耦合了大量電荷並與旁路電容相耦合的電流太大，則主電源可能使電源極限設定點跳閘，從而導致斷路。錯開電源軌道有助於最大限度降低浪湧電流引起的問題。為解決這些問題，雙通道變換器提供了單獨工作的接腳來適應具體的啟動順序。單獨工作的接腳接有一種R－C電路，此電路在功率加到電源輸入腳之後，可用於延遲相應輸出的打開。
此外，定序接腳允許用戶選擇依序定序或依測量比率定序。依測量比率定序，是每個輸出端電壓以最終輸出電壓確定的比率爬升，同時進行調整。依序定序，是每個輸出端在輸出電壓調整完畢之後開始工作。對於定序的接腳，兩個輸出端電壓中哪個首先爬升，用戶可以編程設定。而且單獨工作的接腳還考慮了變換器的獨立工作(如果需要)。

降低外部元件的尺寸和數量
最年來，兩個異相輸出電壓的開關技術獲得流行。系統內兩個單獨的調壓器可以共用一個輸入電容器並可以用兩倍的單個調壓器頻率來去除波紋電流。當處於180º異相的兩個調壓器工作時，整個RMS輸入電流減少，從而降低了所需的輸入電容量，因此振盪器頻率內定為開關頻率的兩倍，兩個輸出端透過內部配置在交替的開關迴圈時工作。這種技術減少了大容量電容，由此降低了系統成本。另外，由於在兩個變換器之間消除了差頻，因此(頻率的)同步化還減低了EMI。
現有可用的DC/DC變換器均可以在回饋網路內實現內部或外部補償。外部補償可以寬範圍的選擇電感和電容組合，但控制回路的補償和穩定性判據可能對一些通常不熟悉類比設計的數位電路設計師造成麻煩，在這種方法中，首先要選擇LC濾波器，然後確定補償。內部補償則使設計簡化，並降低了外部元件的數量，但是限制了設計師對於某些LC元件的選用。因此要保持穩定性LC濾波器必須選用得當。為降低設計和生產成本，這種變換器整合了補償元件，這就使總的元件數量減少了，同時在選用電感和輸出電容值時具有某些程度的彈性。

採用高電阻鋁或低電阻陶瓷輸出體積電容
鋁電解電容由於成本低在消費類電子中受青睞，它具有相當高的等效串聯電阻(ESR)，ESR溫變範圍寬，但產生的電容量大。為降低總的ESR，必須將幾個鋁電解電容並聯連接，從而佔用了空間。
做為選擇，為降低波紋電壓，可用一種相當小的陶瓷電容與鋁電容並聯在一起。不管用哪種方法，功率電平必須補償得當。對於內部補償元件，如果在輸出濾波器中採用高ESR電容，則回路回應中會引入零，可能導致回路的不穩定。為消除這個零，所採用的電極應具有並聯了低壓電阻的單個小型陶瓷電容。
陶瓷電容技術的最新發展已經提高了電容值並降低了成本，低ESR陶瓷電容現在正用於開關頻率高的場合並且是鋁電解電容的有吸引力的替代方案。當採用具有這種內部補償元件的低ESR陶瓷電容時，為降低交叉頻率時增益的斜率並產生相位保護，回饋網路內必須增添零，(增添)方法是將小型電容與電阻分壓器並聯。

整合性電源供應器能使佈局成本最小化
功率電子的整合化使得數位電路設計師能夠輕鬆地進行設計，將更多的設計負擔留給功率IC供應商。消費類電子應用的成本目標咄咄逼人，附加電源管理功能能夠有助於降低整個系統的成本。DC/DC變換器供應商已經增添了這些功能來降低成本和複雜性，在一顆晶片上集合多個變換器，整合定序電路，並允許採用低成本濾波元件，使佈局成本最小化。