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High Efficiency, High Density PSM μModule Regulator with Programmable Compensation 作者：ADI 公司 Haihua Zhou, Jian Li and Simon Tian FPGA 開發(fā)板、以及原型設(shè)計(jì)、測試和測量應(yīng)用需要多功能高密度電源解決方案。LTM4678是一款具有數(shù)字電源系統(tǒng)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(wěn)壓器。該器件具有： u 雙數(shù)字可調(diào)模擬環(huán)路和一個(gè)用于控制及監(jiān)控的數(shù)字接口。 u 寬輸入電壓范圍：4.5 V 至 16 V u 寬輸出電壓范圍：0.5 V 至 3.3 V u 在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有 ±0.5% 的最大 DC 輸出誤差 u ±5% 的電流回讀精度 u 低于 1 mΩ DCR 電流檢測 u 集成輸入電流檢測放大器 u 400 kHz PMBus 兼容型 I2C 串行接口 u 支持高達(dá) 125 Hz 的遠(yuǎn)端采樣輪詢速率 u 一個(gè)集成式 16 位 Σ-Δ ADC u 恒定頻率電流模式控制 u 具平衡均流能力可以并聯(lián)使用 u 16 mm × 16 mm × 5.86 mm CoP-BGA 封裝 基于 I2C 的 PMBus 接口和可編程環(huán)路補(bǔ)償 LTM4678 屬于 ADI 的電源系統(tǒng)管理 (PSM) μModule 系列，可通過一個(gè) PMBus/SMBus/I2C 數(shù)字接口進(jìn)行配置和監(jiān)控。基于 PC 的 LTpowerPlay 工具可實(shí)現(xiàn)對電源電壓、電流、用電量、排序、裕度調(diào)節(jié)和故障記錄數(shù)據(jù)的可視化監(jiān)控與控制。LTM4678 是首款具有可編程環(huán)路補(bǔ)償功能 (gm 和 RTH) 的 μModule 穩(wěn)壓器，從而極大地縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)性能調(diào)優(yōu)無需反復(fù)構(gòu)建或修改 PCB 板。 用于實(shí)現(xiàn)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(qiáng)型內(nèi)置組件級(jí) (CoP) BGA 封裝，以 16 mm x 16 mm 的小尺寸 PCB 空間實(shí)現(xiàn)高功率 LTC4678。電感器采用堆疊設(shè)計(jì)，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(diào)至更高的電流 LTM4678 采用峰值電流模式控制。逐周期監(jiān)視和控制電流。從而在多相并聯(lián)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)均流。 其他獨(dú)特的特性 u 在高電流應(yīng)用中，遠(yuǎn)端雙輸出檢測可補(bǔ)償走線上的電壓降。 u 溫度范圍內(nèi)最大 ±0.5% 的 DC 輸出誤差提供了額外的調(diào)節(jié)裕量 u 直接輸入電流檢測可測量精確的輸入電流和功率 u 當(dāng)輸出電壓在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)時(shí)，專用的 PGOOD 引腳為下游系統(tǒng)提供信號(hào)。 u 在高 VIN 情況下，EXTVCC 引腳可最大限度提高效率 雙輸出轉(zhuǎn)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(gè)通道以 180°的相對相移運(yùn)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(jiān)視接口)。 如圖 2 所示，在強(qiáng)制連續(xù)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(gè)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(yùn)行時(shí)的熱性能。 熱點(diǎn) (CH1 上的電感器) 溫升為 63°C，此時(shí)的環(huán)境溫度約為 24°C。
圖 3.雙輸出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，以構(gòu)成較高電流解決方案。圖 4 顯示連接多個(gè) 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(lián)連接 5 個(gè) LTM4678 時(shí) (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(jì)算為 3%)，代表了平衡的均流。
圖 5.5 個(gè) LTM4678 器件之間的均流 (10 相并行)。 圖 6 顯示 5 個(gè)并聯(lián) LTM4678 的熱像圖 (在 220 A 輸出和施加 450 LFM 氣流的情況下)。5 個(gè) μModule 穩(wěn)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(zhuǎn)換器的熱性
圖 7.使用四個(gè) LTM4678 的 8 相操作 (產(chǎn)生 1 V/200 A 輸出)。 結(jié)論 LTM4678 μModule 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(diǎn)使 LTM4678 非常適合空間受限的設(shè)計(jì)，例如 FPGA 開發(fā)板。對于電信和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)以及工業(yè)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用中需要較高電流的場合，可并聯(lián)多個(gè) LTM4678 以執(zhí)行多相操作。 作者簡介 Haihua Zhou 是 ADI 的一名高級(jí)應(yīng)用工程師。她的工作內(nèi)容包含 μModule 降壓穩(wěn)壓器和降壓型穩(wěn)壓器 IC 應(yīng)用。在加入 ADI 之前，她就職于 Infineon/International Rectifier，從事 GaN 應(yīng)用方面的工作。她擁有新加坡國立大學(xué)博士學(xué)位。聯(lián)系方式：haihua.zhou@analog.com。 Jian Li 于 2004 年獲得中國清華大學(xué)控制理論與控制工程碩士學(xué)位，并于 2009 年獲得美國弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子學(xué)博士學(xué)位。目前，他是 ADI 公司電源產(chǎn)品應(yīng)用工程經(jīng)理。他擁有 9 項(xiàng)美國專利，并發(fā)表了 20 多篇學(xué)報(bào)和會(huì)議論文。聯(lián)系方式：jian.li@analog.com。 Simon Tian 是 ADI 的 μModule 設(shè)計(jì)工程師，在擔(dān)任此項(xiàng)職位之前，他是 ADI 的一名應(yīng)用工程師。他于 2015 年獲弗吉尼亞理工大學(xué)電氣工程博士學(xué)位，并發(fā)表了 20 多篇技術(shù)論文。聯(lián)系方式：simon.tian@analog.com。 |
