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具可編程補償功能的高效率、高密度 PSM μModule 穩壓器

2020-01-09
作者: Haihua Zhou, Jian Li and Simon Tian
來源:ADI 公司

  FPGA 開發板、以及原型設計、測試和測量應用需要多功能高密度電源解決方案。LTM4678是一款具有數字電源系統管理 (PSM) 功能的 16 mm x 16 mm 小尺寸雙路 25 A 或單路 50 A μModule  穩壓器。該器件具有:

  •   雙數字可調模擬環路和一個用于控制及監控的數字接口。

  •   寬輸入電壓范圍:4.5 V 至 16 V

  •   寬輸出電壓范圍:0.5 V 至 3.3 V

  •   在整個溫度范圍內具有 ±0.5% 的最大 DC 輸出誤差

  •   ±5% 的電流回讀精度

  •   低于 1 mΩ DCR 電流檢測

  •   集成輸入電流檢測放大器

  •   400 kHz PMBus 兼容型 I2C 串行接口

  •   支持高達 125 Hz 的遠端采樣輪詢速率

  •   一個集成式 16 位 Σ-Δ ADC

  •   恒定頻率電流模式控制

  •     具平衡均流能力可以并聯使用

  •   16 mm × 16 mm × 5.86 mm CoP-BGA 封裝

基于 I2C 的 PMBus 接口和可編程環路補償

  LTM4678 屬于 ADI 的電源系統管理 (PSM) ?Module 系列,可通過一個 PMBus/SMBus/I2C 數字接口進行配置和監控?;?PC 的 LTpowerPlay  工具可實現對電源電壓、電流、用電量、排序、裕度調節和故障記錄數據的可視化監控與控制。LTM4678 是首款具有可編程環路補償功能 (gm 和 RTH) 的 ?Module 穩壓器,從而極大地縮短了設計時間,這是因為動態性能調優無需反復構建或修改 PCB 板。

用于實現熱性能改善、小尺寸和高功率密度的 CoP-BGA 封裝

  采用耐熱性能增強型內置組件級 (CoP) BGA 封裝,以 16 mm x 16 mm 的小尺寸 PCB 空間實現高功率 LTC4678。電感器采用堆疊設計,并用作散熱器,以有效降低電路板溫度。

利用電流模式控制可輕松調至更高的電流

  LTM4678 采用峰值電流模式控制。逐周期監視和控制電流。從而在多相并聯應用中實現均流。

其他獨特的特性

  •   在高電流應用中,遠端雙輸出檢測可補償走線上的電壓降。

  •   溫度范圍內最大 ±0.5% 的 DC 輸出誤差提供了額外的調節裕量

  •   直接輸入電流檢測可測量精確的輸入電流和功率

  •   當輸出電壓在調節范圍內時,專用的 PGOOD 引腳為下游系統提供信號。

  •   在高 VIN 情況下,EXTVCC 引腳可最大限度提高效率

雙輸出轉換器 (1 V/25 A 和 1.8 V/25 A)

  圖 1 顯示典型的 5.75 V 至 16 V 輸入、雙輸出解決方案。LTM4678 的兩個通道以 180°的相對相移運行,因而減小了輸入 rms 電流紋波和電容器尺寸。

  圖 1.1 V/25 A 和 1.8 V/25 A 輸出 (具有 I2C 串行控制和監視接口)。

  如圖 2 所示,在強制連續電流模式 (CCM) 中,總體解決方案效率為 85.8% (1.0 V/25 A 輸出) 和 90.4% (1.8 V/25 A)。

  圖 2.兩個輸出的效率。

  圖 3 顯示 LTM4678 在 VIN = 12 V、VOUT0 = 1.0 V/25 A、和 VOUT1 = 1.8 V/25 A 及 200 LFM 下運行時的熱性能。 熱點 (CH1 上的電感器) 溫升為 63°C,此時的環境溫度約為 24°C。

  圖 3.雙輸出轉換器的熱性能。

多相 (Polyphase)、單輸出高電流 (12 V 至 1 V/250 A)

  LTM4678 可配置為多相單輸出轉換器,以構成較高電流解決方案。圖 4 顯示連接多個 LTM4678 的方框圖。若要提高輸出電流,只需添加額外的 LTM4678,并將它們各自的 VIN、VOUT、VOSNS+、VOSNS、PGOOD、COMPa/b、RUN、FAULT、SYNC 和 GND 引腳連接在一起。

  圖 4.顯示多相操作簡單性的方框圖。

  圖 5 顯示并聯連接 5 個 LTM4678 時 (10 相),每相所提供的電流。10 相之間的最大電流差為 0.75 A (基于 25 A 計算為 3%),代表了平衡的均流。

  圖 5.5 個 LTM4678 器件之間的均流 (10 相并行)。

  圖 6 顯示 5 個并聯 LTM4678 的熱像圖 (在 220 A 輸出和施加 450 LFM 氣流的情況下)。5 個 Module 穩壓器之間的最大溫差為 10°C。圖 7 顯示了一款 8 相解決方案的完整原理圖。

  圖 6.多相轉換器的熱性

  圖 7.使用四個 LTM4678 的 8 相操作 (產生 1 V/200 A 輸出)。

結論

  LTM4678 ?Module 是一款通用的高性能電源解決方案,占板面積小 (16 mm x 16 mm),可提供高效率和高功率。小尺寸和簡單易用的特點使 LTM4678 非常適合空間受限的設計,例如 FPGA 開發板。對于電信和數據通信系統以及工業和計算機系統應用中需要較高電流的場合,可并聯多個 LTM4678 以執行多相操作。

作者簡介

Haihua Zhou 是 ADI 的一名高級應用工程師。她的工作內容包含 μModule 降壓穩壓器和降壓型穩壓器 IC 應用。在加入 ADI 之前,她就職于 Infineon/International Rectifier,從事 GaN 應用方面的工作。她擁有新加坡國立大學博士學位。

Jian Li 于 2004 年獲得中國清華大學控制理論與控制工程碩士學位,并于 2009 年獲得美國弗吉尼亞理工大學電力電子學博士學位。目前,他是 ADI 公司電源產品應用工程經理。他擁有 9 項美國專利,并發表了 20 多篇學報和會議論文。

Simon Tian 是 ADI 的 μModule 設計工程師,在擔任此項職位之前,他是 ADI 的一名應用工程師。他于 2015 年獲弗吉尼亞理工大學電氣工程博士學位,并發表了 20 多篇技術論文。


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