三相、三输出控制器节省了POL转换器的占用空间

背景

大多数嵌入式系统都通过48V背板来供电。该电压通常被降压至一个较低的中间电压（12V或5V），以向系统内部的电路板架输送功率。然而，这些电路板上的大多数子电路或IC都要求以0.8～3.3V的电压进行供电（在几十毫安到几十安培的电流条件下）。因此，需要采用负载点（POL）DC/DC转换器，把12V或5V电压降至子电路或IC所要求的期望电压和电流水平。

由于在这些系统中，空间和冷却很受重视，因此所有的POL转换器都必需紧凑且高效，这一点极为重要。此外，许多微处理器和数字信号处理器（DSP）还需要一个内核电源和一个输入/输出（I/O）电源，这些电源必须在启动期间进行排序。设计师不得不考虑上电和断电操作期间内核和I/O电压源的相对电压和定时，以与制造商的规格相符。如果未进行正确的电源排序，就有可能出现闭锁或电流消耗过大的情况，从而导致微处理器的I/O端口或某个支持器件（例如存储器、可编程逻辑器件PLD、现场可编程门阵列FPGA或数据转换器）的I/O端口受损。为了确保在给内核电压施加正确的偏置之前不对I/O负载进行驱动，内核电源电压和I/O电源电压的跟踪是必不可少的。

对于任何给定的DC/DC转换器，尽管启动和停机跟踪可在外部实现，但电源排序要求将因系统的不同而存在差异。这些解决方案包括可通过可编程接口或外部元件进行配置的专用标准产品（ASSP），基于可编程微控制器的解决方案和FPGA解决方案。

人们希望在电压不断下降的情况下增加电流，这种日渐增长的需求将继续推动电源开发活动的开展。该领域的许多成果都可归功于功率转换技术的进步，特别是电源IC和功率半导体器件的改善。一般说来，这些元件是通过允许在几乎不影响功率转换效率的前提下提高开关频率来增强电源性能的。通过降低开关和通态损耗、并实现高效散热，便可做到这一点。不过，由于输出电压呈逐渐下降之势，因而给这些因素施加了更大的压力，这又带来了重大的设计难题。

多相拓扑结构

对于由两个或更多的转换器来处理单个输入的拓扑结构（各转换器彼此同步，但以不同的锁定相位来运行），“多相”被认为一个“一般术语”。这种方法减小了输入纹波电流、输出纹波电压和总RFI特征信号，并可提供高电流单路输出或多个具有完全稳定的输出电压的较低电流输出。它还允许采用较小的外部元件，对于单片式器件而言，这将增加输出电流能力，因为可以很容易地把多个较小的MOSFET做在“芯片之上”。而且，其额外的好处是改善了热管理。

多相、单输出电路被称为PolyPhase(多相)电路，而多输出、单输入电源则被视作最基本的多相。多相拓扑结构可被配置为“降压型”、“升压型”、甚至“正激式”，但“降压型”配置往往是更加普遍的应用。一般而言，控制器解决方案适用于较高的功率（通常高于15～20W），并需要采用外部分立MOSFET。

因此，多相操作在必需生成一个高电流输出的场合使用（比如用于替代“砖”型DC/DC转换器），而多相操作则在需要多个具有不同电压的输出（例如，用于小型系统中的FPGA或处理器电源的2.xV和1.xV）的场合中使用。

多功能IC提供了最佳的灵活性

如果跟踪和排序性能欠佳，则会对嵌入式系统中的器件造成无法补救的损坏。FPGA、PLD、ASIC、DSP和微处理器通常在内核与I/O电源之间布设二极管，用作ESD保护元件。如果电源违犯了跟踪要求并对保护二极管施加了正向偏压，则器件有可能受损。

电源排序、跟踪和多输出电压轨已成为DC/DC转换器模块的常见功能；然而，这些功能在DC/DC控制器IC中则并不多见。不过，最近出现了一些新产品，比如凌力尔特近期推出的三相、三输出同步降压型控制器LTC3773，该器件具有上述的全部3种电源管理功能。而其最大的与众不同之处还在于其快速瞬态响应、一个可实现至系统时钟的同步的锁相环（PLL）和一个高准确度基准。

此外，LTC3773还是一款高效、三相DC/DC控制器，能够处理高达36V的输入，并支持0.6～5V的单、双或三输出电压，每相可提供15A以上的电流。可以把其中的两相连接起来，以作为一个30A输出；在该场合中，可使两个通道反相运作，以最大限度地减小输入电容器上的应力。所有三个通道还能够调节单个输出，以提供超过45A的电流。可以采用“比例”或“重合”配置来对每个通道进行单独跟踪；还可借助极少的外部元件来顺序地启用和停用各通道。当全部三个通道均被停用时，控制器一般仅消耗18μA电流（在停机模式中）。在轻负载条件下，LTC3773可工作于突发模式Burst Mode（以最大限度地提升效率）、强制连续模式（恒定频率操作以实现最低的纹波）或脉冲跳跃模式（作为前两种运作模式的折衷方案）。

开关频率可被锁相至一个160～700kHz的外部信号源，或利用PLLFLTR引脚上的一个DC电压来设定。还提供了220kHz、400kHz和560kHz的典型引脚可选频率。不管在哪一种场合中，CLKOUT引脚都将以通道1的开关频率为基准而把工作频率表示为0°、60°至180°，当多个控制器IC采用同一组输入电容器进行操作的时候，这将是一个有用的特点。

当需要在尽可能小的占板面积内提供三个15A输出时，LTC3773是一种不言而喻的选择。图1给出了一款单控制器电路示意图，该电路可从一个宽松稳压电源提供三个低电压、高电流输出。

图1  具有三个独立输出的LTC3773应用电路

每个输出基准保证在整个工作温度范围内维持 ±1%以内的准确度。在启动期间，比例跟踪把Vout2和3的反馈基准保持在0.6V（Vout1为2.5V），以使三个输出同时达到其命令电平（见图2）。TRACK1引脚电压通过利用一个内部  1μA电流源对0.01μF电容器进行充电而上升。在不需要进行电源跟踪的场合，所有的TRACK引脚都可以连接至外部电容器，这样它们就将在不考虑外部电压源的情况下对其各自的通道实施软起动。但是，如果通道1的输出被短路，那么通道2和3将会发生什么情况？把一个TRACK分压器的正节点拉至零并不总是将在各自的输出端上产生0V电压；TRACK引脚中的短暂上拉电流有可能在与之相连的分压器中产生不希望的偏移，从而在通道2和3上产生无用的低输出电压或“打嗝”现象。然而，LTC3773在其跟踪电路中采用了一个30mV的偏移，因而能够停用每个通道的驱动器，直到其TRACK引脚上加有至少30mV的电压为止。当TRACK电平升至100mV时，该偏移将消失，这样，当它们接近其终值时，通道2和3就能够进行可预测跟踪。

图2  运行中的比例跟踪

监视与电感器相串联的检测电阻器可提供准确的电流限制。控制器可防止器件在启动期间遭受过大涌入电流的损害，并对输出短路期间流经电感器和主MOSFET的电流加以限制。当反馈引脚VFB的电压高出0.6V基准电压达3.75%时，它通过接通同步MOSFET来拉低输出，从而起到保护输出电容器和负载的作用；当偏置电源VCC降至3.94V以下时，它将被关断，以确保外部MOSFET在安全的栅极驱动电平条件下运作。如果任何通道的反馈电压超出0.600V内部基准的 ±10%并持续100μs，则漏极开路电源良好PGOOD引脚将被拉至低电平。

只需在每个输出端上布设两个47μF陶瓷电容器，每个通道即可保持稳定，从而可在中等至重负载的条件下提供低纹波，并实现尽可能快的瞬态响应。利用电流模式操作，转换器可对输入电压瞬变做出快速响应，从而可在输入电压摆幅很宽的情况下对脉冲宽度进行逐周期校正。通道至通道干扰实际上并不存在，即使在一个通道上发生大幅度负载阶跃的过程中也不例外。

适合双输出的一种更好的替代方案

与单相开关稳压器相比，两相转换器在输入电容器上施加的纹波电流较小，因而可采用尺寸较小、成本较低的输入电容器。该方法使来自开关的电流脉冲产生交错，从而极大地减少了彼此重叠的时间。较低的纹波电流意味着功耗的减少和效率的提高以及电磁干扰的减低。两相转换器还使有效开关频率倍增，从而降低了输出纹波电压。

为了完全实现这些好处，两个通道应以180°相位差工作。LTC3773允许通道2和3异相操作，当它们被连接起来作为单个高电流输出时，这是一种有用的选项。例如：通道1的输出可为2.5V（在15A电流条件下），而通道2（通道2和3连接在一起）的输出则可为1.8V（在30A电流条件下）。这第二个双相通道将表现出超卓的电流均分性能，且无通道至通道干扰，并具有极小的输出纹波（在两倍于开关节点工作频率的条件下）。

概要

由于存在诸多的约束（有限的空间、给定外壳内的冷却以及为改善系统可靠性而必需进行的正确电源跟踪），因此用于嵌入式系统的POL DC/DC转换器的设计师们面临着许多挑战。尽管LTC3773不得不遵从这些众多的约束条件，但它在单颗IC芯片中提供了三个独立的高电流输出，因而能够造就一款简单、紧凑、高效且功能丰富的解决方案。