【導(dǎo)讀】隨著高性能處理器與FPGA的功率需求持續(xù)攀升，傳統(tǒng)單通道電源方案已難以滿足嚴(yán)苛的電流供給要求。本文將深入探討多通道PMIC的創(chuàng)新應(yīng)用方案——通過并聯(lián)多個(gè)穩(wěn)壓輸出通道，實(shí)現(xiàn)單路大電流輸出的技術(shù)路徑。該方案不僅顯著提升了系統(tǒng)的電流供給能力，更通過精密的均流控制確保了優(yōu)異的電壓調(diào)節(jié)精度與熱平衡性能。這種創(chuàng)新的電源架構(gòu)在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)復(fù)雜度的同時(shí)，有效優(yōu)化了電路板空間利用率，為數(shù)字信號(hào)處理器、高端處理器及復(fù)雜可編程邏輯器件提供了更為高效可靠的熱管理與電源分配解決方案。
摘要
隨著高性能處理器與FPGA的功率需求持續(xù)攀升，傳統(tǒng)單通道電源方案已難以滿足嚴(yán)苛的電流供給要求。本文將深入探討多通道PMIC的創(chuàng)新應(yīng)用方案——通過并聯(lián)多個(gè)穩(wěn)壓輸出通道，實(shí)現(xiàn)單路大電流輸出的技術(shù)路徑。該方案不僅顯著提升了系統(tǒng)的電流供給能力，更通過精密的均流控制確保了優(yōu)異的電壓調(diào)節(jié)精度與熱平衡性能。這種創(chuàng)新的電源架構(gòu)在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)復(fù)雜度的同時(shí)，有效優(yōu)化了電路板空間利用率，為數(shù)字信號(hào)處理器、高端處理器及復(fù)雜可編程邏輯器件提供了更為高效可靠的熱管理與電源分配解決方案。
引言
在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電源管理集成電路(PMIC)因其能為復(fù)雜電源架構(gòu)帶來設(shè)計(jì)靈活性而越來越受到重視。傳統(tǒng)電源解決方案主要關(guān)注效率和電壓調(diào)節(jié)，而PMIC則更進(jìn)一步，將多個(gè)電源軌、時(shí)序控制邏輯、故障保護(hù)和遙測(cè)功能集成于一個(gè)緊湊的器件中。多通道PMIC通常用于管理多個(gè)電源輸出，每個(gè)通道為系統(tǒng)的特定部分提供穩(wěn)定的電壓。這些器件還可以配置為多相模式，方法是組合多個(gè)通道來供應(yīng)單個(gè)大電流軌，從而有效取代單通道大電流調(diào)節(jié)器。此方法涉及并聯(lián)多個(gè)通道，以確保各個(gè)通道均等分擔(dān)負(fù)載，防止任何單一通道過載。這種靈活性在需要大電流傳輸，同時(shí)保持效率和可靠性的應(yīng)用中特別有用。此類PMIC通常用于數(shù)字信號(hào)處理器、處理器、FPGA和微控制器等復(fù)雜器件中，其中多個(gè)子系統(tǒng)需要不同的功率水平。
為了滿足不同應(yīng)用的大電流需求，LT7200S采用薄型5 mm × 6 mm、48引腳LQFN封裝，ADP5055和ADP5056采用5.00 mm × 5.50 mm LGA封裝，而且全都具有并聯(lián)能力以實(shí)現(xiàn)大電流供電。
典型應(yīng)用
隨著數(shù)據(jù)速度的提升和工作負(fù)載的增長(zhǎng)，F(xiàn)PGA和SoC不斷演進(jìn)，以滿足不斷上升的速度和容量需求。電源也必須隨之發(fā)展，在提供更大電流的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。此外，簡(jiǎn)便性和可靠性同樣重要。對(duì)于需要15 A以上電流的系統(tǒng)，可以并聯(lián)多個(gè)LT7200S穩(wěn)壓器并錯(cuò)相運(yùn)行，確保功率輸送高效穩(wěn)定。圖1和圖2展示了LT7200S的典型應(yīng)用原理圖，它支持雙相和四相操作，通過并聯(lián)為負(fù)載提供更高的輸出電流。這款器件采用四相架構(gòu)，四個(gè)內(nèi)部同步降壓型穩(wěn)壓器通道能夠高效并聯(lián)。每個(gè)通道能夠輸出或吸收±5 A的電流。當(dāng)四相并聯(lián)時(shí)，合計(jì)可向公共輸出端提供高達(dá)±20 A的電流。而這是通過精密電流模式控制實(shí)現(xiàn)的，它能確保所有通道間精確均流，從而提升熱平衡和系統(tǒng)可靠性。
圖1.四相并聯(lián)，用作20 A單輸出PMIC
圖2.雙相并聯(lián)，用作10 A/10 A雙輸出PMIC
這款器件通過PHMODE引腳支持相位交錯(cuò)，允許每個(gè)通道與其他通道錯(cuò)相運(yùn)行，從而顯著減少輸入和輸出紋波。此外，MODE/SYNC引腳支持與外部時(shí)鐘同步，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)切換，并盡可能減少敏感應(yīng)用中的噪聲。
工作頻率可通過外部電阻設(shè)置在400 kHz至3 MHz范圍內(nèi)。用于對(duì)開關(guān)噪聲敏感的應(yīng)用時(shí)，工作頻率支持外部同步。獨(dú)特的“可鎖相、受控導(dǎo)通時(shí)間、恒定頻率、電流模式”架構(gòu)非常適合要求快速瞬態(tài)響應(yīng)的高頻、高降壓應(yīng)用。
LT7200S采用Silent Switcher? 2技術(shù)，憑借創(chuàng)新的設(shè)計(jì)和封裝工藝，能夠在實(shí)現(xiàn)高效率的同時(shí)降低電磁干擾(EMI)。得益于這項(xiàng)獨(dú)特技術(shù)，這些穩(wěn)壓器對(duì)PCB布局變化的敏感度大幅降低，不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程，還顯著提升了整體性能表現(xiàn)。
LT7200S性能圖
圖3顯示了四相LT7200S解決方案的效率。四相配置與圖1所示配置類似，開關(guān)頻率為1 MHz，電壓從12 V降至1.2 V。它可提供高達(dá)20 A的連續(xù)負(fù)載電流。PHMODE引腳接GND，導(dǎo)致每個(gè)通道發(fā)生90°相移。這種交錯(cuò)操作能夠減少輸入電流紋波，使熱負(fù)荷在整個(gè)電路板上均勻分布，降低對(duì)輸入和輸出電容的要求，盡可能減少EMI，并提高系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。為確保在穩(wěn)態(tài)和啟動(dòng)期間更好地均流，應(yīng)將ITH、FB和TRACK/SS連接在一起。
這款器件在12 V輸入下實(shí)現(xiàn)了88%的峰值效率，并在20 A滿負(fù)載電流下保持86%的效率。圖4顯示了LT7200S在12 V降至1.2 V/20 A條件下工作的熱圖像，表明它在四相操作期間實(shí)現(xiàn)了良好的均流。
圖3.LT7200S四相效率，12 V降至1.2 V，1 MHz
圖4.LT7200S熱圖像：12 V降至1.2 V，20 A，1 MHz，無氣流，TA = 25°C
類似地，ADP5055和ADP5056在一個(gè)43引腳LGA封裝中集成了三個(gè)高性能降壓型穩(wěn)壓器，可滿足嚴(yán)苛的性能和電路板空間要求。
這些器件可直接連接高達(dá)18 V的輸入電壓，無需使用前置調(diào)節(jié)器。所有通道均同時(shí)集成高邊和低邊功率MOSFET，以優(yōu)化解決方案的效率。通道1和2提供3.5 A或7 A的可編程輸出電流，或在并聯(lián)工作模式下提供高達(dá)14 A的單路輸出電流。通道3提供1.5 A或3 A的可編程輸出電流。
ADP5055集成了高精度8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，可通過兼容PMBus?的雙線接口，實(shí)現(xiàn)輸出電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)(DVS)。PMBus接口提供了其他靈活配置，例如啟動(dòng)和關(guān)斷時(shí)序控制、單獨(dú)的強(qiáng)制脈寬調(diào)制(FPWM)或省電模式(PSM)選擇、輸出放電開關(guān)和電源良好信號(hào)。這些器件的額定結(jié)溫范圍是-40°C至+150°C。
結(jié)語
ADP5056、ADP5055和LT7200S等大電流PMIC更適合需要高效、靈活、可靠電源管理的應(yīng)用，具備高性能、靈活性和高集成度，是電信、數(shù)據(jù)中心和工業(yè)自動(dòng)化等復(fù)雜系統(tǒng)的理想選擇。并聯(lián)特性支持多個(gè)器件協(xié)同工作，從而提升電流能力和可靠性，對(duì)于需要可擴(kuò)展且穩(wěn)健電源解決方案的客戶至關(guān)重要。
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