高压数字电源系统管理的发展

一款新的降压型控制器 LTC3886 接受高达 60V 输入，产生两个 0.5V 至 13.8V 输出，从而使该器件能够非常容易地应用在工业、服务器和汽车环境以作为一个中间总线或负载点 (POL) 电源使用。具备类似令人印象深刻的输入 / 输出范围的其他控制器不可能比得上 LTC3886 的数字管理功能。该器件基于 I²C 的 PMBus 兼容串行接口允许电源设计师通过基于 PC 以及具图形用户界面的 LTpowerPlay^® 以配置、监视、控制和扩展功能，然后在 LTC3886 的内置 EEPROM 中存储最佳生产设置。无需更改电路板，因为功能和优化设置 (包括补偿) 都可以通过软件更改。

这款两通道 PolyPhase^® DC/DC 同步降压型开关稳压器控制器采用恒定频率、电流模式架构，提供准确的输入和输出电流检测和可编程环路补偿，采用 52 引线 (7mm x 8mm) QFN 封装。准确的电压和电流检测、可调补偿以及专用 PGOOD 引脚使 LTC3886 非常适合需要通用电源系统设计、控制、监视、设定和高准确度的工业应用。

灵活的功能集

图 1 显示了一个概括性的 LTC3886 原理图。100kHz 至 750kHz PWM 开关频率范围和低 RDS(ON) 集成式 N 沟道 MOSFET 栅极驱动器支持大量外部组件，可用来实现电源功能及系统成本优化。由于灵活的可编程功能集可以应对眼前的具体应用，因此 LTC3886 可以轻而易举地用于多种工业、医疗和负载点应用。

图 1：LTC3886 是一款通用和灵活的器件。它提供很宽的输入和输出范围，可通过 PMBus 非常方便地定制。还可通过数字总线实现准确的遥测。所有功能都可以通过 LTpowerPlay 控制。

通过可编程性实现适用性

LTC3886 的以下参数可通过 I²C/SMBus 接口在内置 EEPROM 中配置和存储：

输出电压、过压、欠压和过流限制

输入 ON/OFF 电压、输入过压和输入过流警报

数字软启动 / 停止、排序、裕度调节

控制环路补偿

PWM 开关频率和相位关系

通过 FAULT 引脚的故障响应和故障传播

器件地址

开关频率、器件相位和输出电压也可通过外部配置电阻器编程。此外，所有 128 个可能的地址都是可通过电阻器选择的。

电源良好引脚、排序和可编程故障响应

每个通道专用的 PGOOD 引脚简化了跨多个 LTC3886 和其他电源系统管理 IC 实现基于事件的排序任务。LTC3886 还支持基于时间的排序。RUN 引脚变高后，再等待长度为 TON_DELAY 的时间，一条 PMBus 命令就接通该器件，或者 V_IN 引脚电压上升至高于一个预设定的电压，然后输出被启动。

基于时间的断电排序也以类似方式处理。为了确保恰当基于时间的排序，只需将所有 SHARE_CLK 引脚连接到一起，将所有电源系统管理 IC 的 RUN 引脚连接到一起。LTC3886 FAULT 引脚是可配置的，以指示各种故障，包括 OV、UV、OC、OT、定时故障和峰值电流故障。此外，FAULT 引脚还可以由外部电源拉低，以指示系统其他某个部分有故障。LTC3886 的故障响应是可配置的，允许以下选择：

忽略

立即停机 – 锁断

立即停机 – 按照 MRF_RETRY_DELAY 规定的时间间隔无限次地重试

故障记录和遥测

LTC3886 支持故障记录，将遥测和故障状态数据存储到一个不断更新的 RAM 缓冲器中。故障事件发生后，将缓冲数据从 RAM 复制到 EEPROM，并成为一个持久有效的故障记录，这个记录可以在稍后回读，以确定引起故障的原因。

EXTVCC 引脚用于实现最高效率

EXTVCC 引脚用来最大限度降低应用功耗，并支持 5V 至 14V 电压。该引脚可实现具最佳电路效率和最低芯片温度的设计，并使 LTC3886 能够用输出电压高效率地为自身提供偏置电源。

准确度和精度

新式应用要求电源电压调节和监察具备严格的容限。这些要求是用一个高速模拟控制环路和一个集成的 16 位 ADC 和几个 12 位 DAC 满足的。在整个工作温度范围内，LTC3886 的输出电压准确度确保为 ±0.5%。此外，输出电压的过压和欠压比较器随温度变化的误差在 ±2% 以内。LTC3886 的调节和监察准确度允许使用更少的输出电容器，从而降低了系统的总体成本，同时仍然满足下游 IC 严格的输入电压要求。

独特的高压侧 60V 输入电流检测放大器随温度变化以少于 ±1.2% 的误差测量输入电流。输出电流随温度变化确保 ±1.5% 的准确度。LTC3886 的内部芯片温度测量确保准确至 0.25°C，外部温度遥测误差在 ±1°C 以内。

图 2：LTpowerPlay

扩展

最新电源管理系统要求更大的功率和更强的控制能力，但是必须放进日益缩小的电路板空间中。并联多相电源轨是满足大功率要求的最佳解决方案，因为它可实现高功率密度和高效率扩展。该器件在多个 LTC3886 之间支持多达 6 相的准确多相 (PolyPhase^®) 均流。这就允许系统设计师按需增加电源级。此外，两相 LTC3870 多相扩展器 IC 可与 LTC3886 无缝配对，从而能够以更低的价格提供 6 相的多相电源轨。图 3 显示了一个 4 相解决方案。图 4 显示了各相位之间的动态均流。

图 3：采用 LTC3870 相位扩展器和 LTC3886 的高效率 425kHz、4 相、48V 输入至 5V 输出、5A 降压型转换器

图 4：图 3 所示 4 相电路的动态均流;负载阶跃 (a) 上升和 (b) 下降

LTC3870 不需要额外的 I²C 地址，该器件支持所有可编程功能和故障保护功能。当用多个 LTC3886 / LTC3870 配置一个多相轨时，用户只需均分连至该轨的所有通道之 SYNC、ITH、SHARE_CLK、FAULTn、PGOODn 和 ALERT 引脚即可。所有通道的相对相位关系应该设定为间隔相等。这样的相位交错可产生最低的峰值输入电流和最低的输出电压纹波，并降低对输入和输出电容器的要求。

系统设计师常常对电源系统分段，以满足功能和电路板空间要求：LTC3886 / LTC3870 多相轨通过分离电源和控制组件简化了分段工作，从而使这些组件能够非常容易地放置到可用空间中。分段还可以在 PCB 上扩散电源系统产生的热量，从而全面简化了热量提取，并减少了发热区。

发展

图 2 显示了 LTpowerPlay 的一个截屏，LTpowerPlay 是一款基于 Windows 的强大软件开发工具，提供图形用户界面 (GUI)，全面支持 LTC3886。LTpowerPlay 可连接演示电路板和直接连接应用硬件，增强了评估能力。LTpowerPlay 提供无与伦比的开发、诊断和调试功能。遥测、系统故障状态和 PMBus 命令值全都可以轻而易举地通过该 GUI 存取。LTC3886 和其他电源系统管理 IC 可以轻松地用 LTpowerPlay 进行独特的配置。完整信息可在 www.linear.com.cn/ltpowerplay 网站。

可调补偿

LTC3886 提供可编程环路补偿，以无需改变任何外部组件，就能确保环路稳定性和优化控制器的瞬态响应。为了实现理想的补偿而辛苦地焊上、焊下大量组件的日子一去不复返了。使用 LTpowerPlay 时，只需点击几下鼠标，LTC3886 就可以得到最佳补偿了。控制环路可以快速、轻松地实现精细调节，而无论最后一分钟组件进行了怎样的更换或改变。这就使设计师能够去掉不必要的输出电容器，尽最大可能使系统提供最高性能，同时节省电路板空间、降低成本。

图 5、6 和 7 概述了设定环路补偿的过程。误差放大器 gm (图 5) 可采用 MFR_PWM_COMP 命令的位 [7:5] 设置在 1.0mmho 至 5.73mmho 之间，而 LTC3886 内部的补偿电阻器 RTH 则可采用 MFR_PWM_COMP 命令的位 [4:0] 设置在 0kΩ 至 62kΩ 范围内。设计中仅需要两个外部补偿电容器 C_TH 和 C_THP，C_TH 和 C_THP 之间的比率通常设定为典型值 10。

图 5：可编程环路补偿

图 6：误差放大器 g_m 调节

图 7：R_TH 调节

仅通过调节 g_m 和 R_TH，LTC3886 就可提供一个可编程 II 型补偿网络，从而在多种输出电容器和补偿组件容限范围内优化环路。调节误差放大器的 g_m ，可成比例地在整个频率范围内改变补偿环路的增益，但极点和零点位置不会移动，如图 6 所示。调节 R_TH 电阻器，可改变极点和零点的位置，如图 7 所示。一旦 LTC3886 的电压和电流范围确定了，输出电压或电流限制的改变就不会影响环路增益。当通过改变电压命令或通过裕度调节修改输出电压时，电路的瞬态响应保持恒定不变。

准确的遥测用来优化中间总线系统的效率

LTC3886 具备很宽的 4.5V 至 60V 输入电压范围和 0.5V 至 13.8V 输出电压范围。这在将高压输入电源电压高效地调低至中间总线电压时，使 LTC3886 成为一种出色选择。中间总线电压给下游的负载点转换器 (POL) 供电。

当用作中间总线转换器给下游电源系统管理 POL 供电时，LTC3886 使用户能够优化中间总线电压，以实现最高效率。既然 LTC3886 提供电压和电流遥测数据，且电源系统管理 IC 如此准确，那么就有可能实时产生准确的系统效率测量值。这接下来又使开发一个优化程序成为可能，在这个程序中，一个微控制器针对各种条件决定最佳中间总线电压。

为了显示这个优化过程，一个输出为 9V 至 13V 的 LTC3886 中间总线电源用来给 LTM®4676 8 相演示电路的输入供电，该演示电路配置为负载点转换器，如图 8 所示。凌力尔特 Linduino^® One 演示电路 (www.linear.com.cn/solutions/linduino) 通过 PMBus 从 LTC3886 和 LTM4676 读取准确的电压和电流遥测数据，依此测量和计算系统的总体效率。Linduino 应用在多个中间总线电压上测量总体系统效率，并修改中间总线电压以得到最低输入功率，从而无需用户干预就可实现最高系统效率。

图 8：LTC3886 设置为中间总线电源，驱动一个电源管理 IC POL 转换器。Linduino One 演示电路利用来自 LTC3886 中间总线电源和 POL IC 的遥测数据，通过随负载电流变化调节中间总线电压，以优化系统效率。

LTC3886 的效率随中间总线电压的变化如图 9 所示。总体系统效率随中间总线电压的变化如图 10 所示。这些曲线是以负载点电流为 10A、20A、40A、80A 和 100A 时测得的，峰值效率随负载电流变化而改变。较大的负载电流需要较高的中间总线电压，以在峰值效率上运行。如果将中间总线电压设定在太高的固定电压上，那么在小负载电流时会降低系统的总体效率。与使用标准固定 12V 中间总线电压相比，用 LTC3886 优化中间总线电压，可在 10 A 负载电流时将效率提高 6.2%，在 20A 时提高 3.5%，在 40A 时提高 1%。这种方法在系统的整个工作负载范围内实现了效率优化。

图 9：LTC3886 的效率在不同负载电流时随输出电压的变化

图 10：系统效率

总结

LTC3886 使凌力尔特公司电源系统管理控制器系列的用途扩展到了高压领域。0.5V 至 13.8V 的宽输出电压范围以及准确的电压和电流检测、可调补偿和专用 PGOOD 引脚为 LTC3886 用户提供了最高的设计灵活性和性能。LTC3886 非常适合需要通用电源系统设计、控制、监视、设定和高准确度的工业应用。

表 1：凌力尔特电源系统管理控制器和 PSM 微型模块 (µModule) 稳压器总结