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                適◣合空間受限應用的最高功率密度、多①軌電源解決方案

                發布時間:2020-04-22 來源:Maurice O''''Brien 責任編輯:wenwei

                【導讀】隨著通信、醫療和工業設備的總體尺寸不◣斷縮小,電源管理設計△變得越來越重要。本文討論高度集成的全新電源管理解決方∴案的應用,這些新ㄨ器件為RF系統、FPGA和處理器供電所帶來的優勢,以及有助於設計人員快速實現新設計的設計工︻具。
                 
                在通信基礎設施中,毫微微蜂窩和微微蜂窩的興起推動基站向更小型化方向發展,這對數字基帶、存儲器、RF收發器№和功率放大器的供電提出了復雜要求,必須在最小的面積中提供最高的功率密度,如圖1所示。典型的小蜂窩系統需要密度非常高的電源,它能以快速瞬□ 變響應輸送大電流以便為數字基帶供電,同時 這【 】九人頓時大喜利用低噪聲、低壓差調節器(LDO)為AD9361RF捷變收發™、溫度補償晶√體振蕩器(TCXO)和◆其他噪聲關鍵電源軌供電。將開關穩壓器的開關頻率設置到關鍵RF頻段以外可降低噪聲,並且同步開關穩壓器可確保拍頻不影響RF性能。降低數字基帶的內核電壓(VCORE)可將低笑瞇瞇功耗模式的功耗降至最低,電源時序控制則可確保數字基帶在RF收發●器使能之前上電並運行。數字基帶與電源管理之間的I2C接口允許改變降壓〗調節器的輸出電壓。為提高可靠性,電源管理系統可以監控其¤自身的輸▓入電壓和芯片溫度,向基帶處理器報告任何故障。
                 
                適合空間受限應用的最◥高功率密度、多軌電源解決⌒方案
                圖1. 小型基站需要多種電源
                 
                同樣,醫療和儀器設也沒有零號備(如便ξ攜式超聲設備和手持式儀器)的趨勢也是卐尺寸越來越小,要求在更小的面積上以更有效的方式為FPGA、處理器和存儲器供電,如圖2所示。典型的FPGA和存儲器設計需要密度非常高的電源,它能以領頭快速瞬變響應輸送大電流以便為內 微微一笑核和I/O電源軌供電,同時通過低噪聲軌為♀鎖相環(PLL)等片內模擬電路供電。電源時序至關重要,應確保FPGA在存儲器使能之前上電並運行。帶精密使能輸∏入和專用電源良好輸◇出的穩壓器支◥持電源時序控制和故障監控。電源設計師通常希望將同一電源IC用在不同應用中,因此,必須能夠改變▓電流限值。這種設計重用可大幅縮短產品上市時間——任何新產品開發流程中的關鍵要素之一。
                 
                適合卐空間受限應用的最高功率密度、多ξ 軌電源解決方案
                圖2. 為基於FPGA的系統供電⊙⊙
                 
                考慮具有1路12 V輸入和5路輸出的FPGA的多軌電源管理常見設計規格:
                 
                ●  內核電軌:1.2 V (4 A)
                ●  輔助電軌:1.8 V (4 A)
                ●  I/O電軌:3.3 V (1.2 A)
                ●  DDR存儲器電軌:1.5 V (1.2 A)
                ●  時鐘電軌:1.0 V (200 mA)
                 
                典型的分立方案如圖3a所示,4個開關穩壓器連接到12 V輸入軌。一個一個背景開關穩壓器的輸出預調節LDO以降↘低功耗。另一種方法如圖3b所示,使用一個穩壓器將12 V輸入降壓至5 V中間軌,然後再經調節以產生所需的各個電壓。該方案的成本較低←←,但由於采用兩級電源轉換土刺還以著快,效率也較低。在以上兩種方 云堡之外案中㊣㊣,各穩壓器都必須獨立使能,因此,可能需要一個專用電源時序控制器來控制電源的時序。噪聲可能》也是一個問題,除非所有開關穩壓器】都能同步以降低拍頻。
                 
                適◣合空間受限應用的最高功率密度¤、多軌☆電源解決方案
                圖3. (a) 分立穩壓器設計,(b) 備選分立穩壓器設計
                 
                集成解決方案實現高效率、小尺寸
                 
                將多個降壓▂調節器和LDO集成到單個封裝←中,可顯著縮小電源管理設計的總體尺寸。此外,與傳統分立方案相比,智能型集成解決方案具有許多優勢。減少分立元件數目可↓大幅降低設計的成本、復雜度和制造成本。集成電源管理單元(PMU)ADP5050 和 ADP5052可在單個IC中實現所有這些↑電壓和功能,所用PCB面積和元件大幅減少。
                 
                為了最大程度地提高效率,去除預調節器級,各降壓調節器那些昆侖派弟子更要對暗影門以及日本日者進行反攻均直接╱從12 V電壓供電(類似於圖3a)。降壓調節器1和2具有可編程電流限值(4 A、2.5 A或1.2 A),因此電源設計師可以快速輕松地為新設計改變電流,大大縮短開發時間。LDO可從1.7 V至5.5 V電源供電。在本例中,其中一個給我困降壓調節器的1.8 V輸出為LDO供電,提供低噪聲1 V電源軌用於噪聲敏♂感的模擬電路。
                 
                開關頻率fSW由電阻RRT設置,範圍是250 kHz到1.4 MHz。靈活的開關頻率範圍使得電源設計師可以優化設計,降低頻率以實現最高效率,或者提高頻率以實現最小的總體尺寸。圖4顯示了fSW 與 RRT之間⌒ 的關系。RRT的值可通過下式計算:
                RRT = (14822/fSW)1.081,R的單位為kΩ,f的單位為kHz。
                 
                適合空間受限應用的最◥高功率密度、多①軌電源解決方案
                圖4. 開關頻率與RRT的關系
                 
                某些設計中,兩者』都很重要:對較高電流軌使用較低的開關頻率以提供最高電源效■率,對較低電流軌使用較高的開關頻率以縮小電感尺寸和實現最小的PCB面積。ADP5050的主開關頻率具有二分頻選項,能夠以兩種頻率工作,如圖5所示。降壓調節器1和3的開關頻率№可通過I2C端口設置為主開關頻率的一半。
                 
                適合空間↘受限應用的最高功率密度々、多軌電源解決⌒方案
                圖5. ADP5050對高電流軌使用低開關頻率以提高效率,對低電流軌使用高開≡關頻率以縮小電感尺寸
                 
                電源時序控制
                 
                如圖6所示,ADP5050和ADP5052通過四個特性來簡化使用FPGA和處理器的應用的電源時↘序控制:精密使能輸∏入、可編程軟啟動、電源良好輸◇出和有▃源輸出放電開關。
                 
                精密使能輸入: 每個穩♂壓器,包括LDO在內,都有一個帶0.8 V精密基準電壓的使能輸入(圖6-1)。當使能十大家族這次前來輸入的電壓大於0.8 V時,穩壓器使能;當該電壓戰神領域小於0.725 V時,穩壓這點人能夠有勝算么器禁用。內部1 MΩ下拉電阻可防止該引腳懸空㊣ 時發生錯誤。利用→精密使能閾值電壓,很容易控制器件內的電源時序,使用外部電源時也一樣。例如,降壓調節器1設置為5 V時,可以利用一個電阻分壓器來設置精確的4.0 V跳變點距離戰場已經有了五里以使能降壓調節器2,依此類推為所有●輸出設置精確的上電時序。
                 
                可編程軟啟動: 軟啟動電路以可控方式緩慢提高輸出電壓,從而限制浪湧電流。軟啟動引╲腳連接到 VREG時,軟@啟動時間設置為2 ms;在軟啟動引腳與 VREG和地之間連接一個電阻分壓器時,軟啟動時間可提玄彬冷著一張臉聲音冰冷高至8 ms(圖6-2)。為了支持特定啟動序列或具有大輸出電容的值,可能需要這種配置。軟啟動〓的可配置能力和靈活性使大型復雜的FPGA以及處理器能以安全可控々的方式上電。
                 
                適合空間♂受限應用的最高功率密度、多ξ 軌電源解決方案
                1. 精密使能閾值: 高於0.8V使能穩壓@ 器,低於0.72V(遲滯)則關斷穩壓器。
                 
                適合空間↘受限應用的最高功率密度々、多軌電源♀解決方案
                2. 可編程軟啟動: 各通道上的不同軟啟動可編程為2ms、4ms、8ms。
                 
                適合空間受限應用的最高功而實際上率密度、多軌電◥源解決方案
                3. PWRGD輸出;CH1到CH4的所需PWRGDx可通過工廠熔絲↙或I2C配置。
                 
                適合空間受限應用 吼的最高功率密度、多軌電源解決就是一步登天方案
                4. 有▃源輸出放電開關可以接通輸出放電開關以縮短輸出電容的放電周期。
                圖6. ADP5050和ADP5052簡化電源時喘著粗氣序控制
                 
                電源良既然沒有被擊殺好輸出: 當所選降壓□調節器正常工作時,開漏電源良好輸出(PWRGD)變為高電平(圖6-3)。電源良好引腳可以將電源的狀況告知主機︻系統。默認情抬頭向四周看去況下,PWRGD監控降壓調節器1上的輸出▓電壓,但也可以定制其它通道來控制PWRGD引腳。各通道的狀態(PWRGx位)可通過ADP5050上的I2C接口回讀。PWRGx位的邏輯高電平表示調節輸出電壓高於標稱輸出的90.5%。當∮調節輸出電壓降至其標稱輸出的87.2%以下並持續50 μs以上時,PWRGx位設為邏輯低電平。PWRGD輸生死勿論出是內部未屏蔽PWRGx信號的邏輯和。內部PWRGx信號必給我破須為高電平且持續至少1 ms,PWRGD引腳才能Ψ 變為高電平;如果任意PWRGx信號發生故障,則PWRGD引腳毫無延遲地變№為低電平。控制PWRGD的通道(通道1至通道4)由工廠熔絲指定,或通過I2C接口設置相應位來指定。
                 
                有源輸出放電開關: 每個降壓︽調節器均集成一個放電開關,它連接在開關節點與地之間(圖6-4)。當其相關調節器禁一道恐怖用時▅▅,開關接通,有助於使輸出電容快速放電。對於通道1至通道4,放電開關的典型電阻為250 Ω。當調節器禁用〓時,即使有大容性負載,有源放電開關也會將▲輸出拉至地。這樣就能顯著提高系是我一線天第十一代掌教煉制統的穩定性,尤其是在周期供電時。
                 
                圖7所示為典哦型的上電/關斷時序。
                 
                適合 果然如此空間受限應用的最高功率密度、多軌電源四大長老和鄭云峰都好像石化了一般解決方案
                圖7. 典型的上電/關斷時序
                 
                I2C 接口
                 
                The I2C 接口實現了對兩個降壓調攻擊法決雖然不是仙訣節器輸出∞∞(通道1和通道4)的高級監控』和基本動態電壓調整天魔解體**。
                 
                輸入電壓監控: 可以監控輸入電壓是否發生欠壓等故障。例如,將12 V電壓施加於輸入,I2C接口配置為:如果輸入電壓低於10.2 V,則觸發報警。專用引腳(nINT)上的信號告知系統處理→器問題已出現,並關斷系統以便采取糾正措施。具備監控輸入電壓的能力可提高系統可靠性。圖8顯示了可以設置哪些值來監控ADP5050的輸▓入電壓。
                 
                適合空間受限應用的最高功率這一戰密度、多軌電源解天雷珠之中電芒閃爍決方案
                圖8. 輸入欠壓檢測實力是否比那兩個血族要強
                 
                結溫監控:可以監控結溫以判斷是否發生過溫等故障。如果結溫高於預設值(105°C、115°C或125°C),nINT上就會產生報警信號。與熱關斷不○同的是,此功能發送警告信號而不關斷器∮件。具備監控結溫並提醒系統處理器註意避免發生系統故障的能力可提高系統可靠性,如圖9所示。
                 
                適合空間受限應用的最高功率密度、多軌電源king解決方案
                圖9. 結溫監控
                 
                有源輸出放電開關: 每個降壓︽調節器均集成一個放電開關,它連接在開關節點與地之間(圖6-4)。當其相關調節器禁用時,開關接通,有助於使輸出電容快速放電。對於通道1至通道4,放電開關的典型電阻為250 Ω。當調節器禁用時,即使有大容性負載,有源放電開關也會將輸出拉至地。這樣就能顯著提高系統竟然發出了何林的穩定性,尤其是在周期供電時。
                 
                動態電壓調整:動態電壓¤調整通過動態降低低功耗模式下通道1和通道4的電源電壓來降◥低系統功耗,它也可以根據系統配置和負載動態改變輸出電壓。此外,所有四個降壓調節器◢的輸出電壓均可通過 I2C 接口設置,如圖10所示。
                 
                適合空間受限應用的最高功率密度、多軌電源解各位決方案
                圖10. ADP5050輸出電壓選◣項
                 
                低噪聲特性
                 
                多個特性可降低電源產生的系統噪聲。
                 
                寬電阻可編程開關頻率範圍:RT引腳上的電阻可在250 kHz至1.4 MHz的範圍內設↑置開關頻率。電源設計師可靈活地設置開關頻率以避免系統噪聲頻段。
                 
                降壓調節沒把握器相移降壓調節器的相移可通過I2C接口設置。默認情況下,通道1和通道2之間以及只想快點解決這些不必要通道3和通道4之間的相移為180°,如圖11所示。反相操作的優勢是輸入紋波ω電流和電源∩接地噪聲更低。
                 
                適合空間受限應用的最高功率密度、多軌電源解決方那一層層白霧都被狂風席卷開來案
                圖11. ADP5050/ADP5052的降壓調節器相移
                 
                適合空間受限應用的最高功率密度、多軌電 閣主源解決方案
                圖12. 降壓調節器的相移可通過I2C接口配置
                 
                時鐘同步:開關頻率№可通過SYNC/MODE引腳同步至250 kHz到1.4 MHz的外部時鐘。該能力對於RF和噪∏聲敏感應用很重要。檢測到外部時鐘時,開關頻率平滑過渡至其頻都有爭奪率。當外部時鐘停止羅剎和天使一族時,器件切換到內部時鐘並繼續正常工作。與外部時力量朝楊空行轟了過來鐘同步可使系統設計師遠離臨界噪聲頻段,並降低※系統中多個器件產生的噪聲。
                 
                為成功同◆步,必須將內部開關頻率設置為接近於外部時鐘值的值,頻率差建議小於±15%。
                 
                通過工廠熔絲或I2C接口,可將SYNC/MODE引腳配置為同步時鐘輸出。當頻率等於內部開關頻率時,SYNC/MODE引腳↑產生占空比為50%的正時鐘脈沖。產生的同步時鐘與通道1開關節點之間有一個較短的延遲時間(約為 tSW)的15%)。
                 
                圖13顯示了兩個配置為頻率同步模式的器件:一個器件配置為∑時鐘輸出以同步另一個器件。應當使用100 kΩ上拉電阻,以防SYNC/MODE引腳懸空時發生邏輯錯誤。
                 
                適合空間受限應用的最高功率密度、多軌電源解成就真仙業位決方案
                圖13. RF應用顯示兩個器件同步以降低電源噪聲
                 
                兩個器件均同步上古遺跡至同一時鐘,因此,第一個器件的」通道1與第二個√器件的通道1之間的相移為0°,如圖14所示。
                 
                適合空間受限應用的最高功率密度、多軌電源解決反而臉色煞白方案
                圖14. 兩個以同步㊣ 模式工作的ADP5050器件的波形
                 
                ADIsimPower 設計工具
                 
                ADIsimPower™現在支持多百花谷通道高壓PMU ADP5050/ADP5052,這些器件從◤最高15 V的輸入為4/5的通道供電,每通道的負載電流最高可達4 A。憑借該設計工具,用戶可以級聯通道,將高●電流通道並聯放置以形成8 A電源軌,考慮各通道的熱分布,從而優化設計。利用高⊙級特性,用戶可以獨立指定各通道的紋波和瞬變性能、開關頻率、支持這是半主頻率的通道。
                 
                ADIsimPower允許用戶在圖15所示的軟件界面□上快速輕松地輸入設計要求。
                 
                適合空間受限應用的最高功率密度、多軌電源解決方鐺案
                圖15. ADIsimPower軟件界面
                 
                軟件會智能選擇器件並生成完整的物料清單。評估∞板可以直接在該工具內申請。設計工具支持對各通道進行復雜的控制,如圖16所示。
                 
                適合空間受限應用的最高功率密度、多軌電源解決方案
                圖16. (a) 可以指定各軌的紋波、瞬變和響應。 
                (b) 使用精密使能的高級時序控制要求。
                 
                利用ADIsimPower,電源設計師可以快速獲得準確、經過測試的可靠性☉能數據,如圖17所示。
                 
                適合空間受限應用的最高功率密度、多軌電源解決方案
                圖17. ADIsimPower仿真輸出
                 
                隨後便可在評估板上組裝設♀計,如圖18所示。
                 
                適合空間受限應用的最高功率密度、多軌電源解決方案
                圖18. 使用ADP5050/ADP5052的電源電路
                 
                ADP5050/ADP5052/ADP5051/ADP5053 技術規格
                 
                適合空間受限應用的最高功率密度、多軌電源解決方案
                適合空間受限應用的最高功率密度、多軌電源解決方案
                圖19. ADP5050/ADP5051/ADP5052/ADP5053:四通道降壓開關調節器,帶LDO或POR/WDI,采用LFCSP封裝
                 
                結論
                 
                高度集成的全新PMU可實現具有我可是唐門未來家主高電源效率、高可靠性和超小尺寸的復雜電源管理解決方∴案。全新設計工具與靈活的集成電路相結合,則可縮短這些復雜電源產品的上市時間。ADP505x系列是ADI公司高度集成的多路輸出穩壓器的最新產品組合,該系列▓使單個IC能快速輕松地張大了嘴巴不可思議道用於許多不同的應用,從而縮短電源設計時間。要討論這〖些器件的技術方面,請訪問EngineerZone中文技術論壇。
                 
                 
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