如何使用負(fù)載分擔(dān)方法提升輸出電流能力

在便攜電子設(shè)備等空限受到高度約束的應(yīng)用中，其中一個(gè)主要的集成電路(IC)選擇標(biāo)準(zhǔn)是封裝尺寸。大多數(shù)模擬IC制造商能夠提供空間效率極高的封裝，如uDFN或uCSP。然而，在模擬功率分配方面，這類超小型封裝IC的主要限制就是功率耗散。因此，DC-DC轉(zhuǎn)換器最大電流能力在1.5 A至2 A范圍。雖然這電流對(duì)絕大多數(shù)應(yīng)用都足夠，但某些應(yīng)用可能需要超過(guò)1.5 A至2 A的電流。在這種情況下，不僅是對(duì)于手持設(shè)備設(shè)計(jì)人員，還是IC制造商，使用超小型封裝DC-DC轉(zhuǎn)換器都具挑戰(zhàn);而隨著更大功率需求的出現(xiàn)，此前業(yè)界廣泛提供的低于1.5 A高集成IC的陣容也大幅變窄了。

　　要提供這樣的大輸出電流，并聯(lián)2個(gè)通用DC-DC轉(zhuǎn)換器也許是一種高性價(jià)比的解決方案。這種方法也可能因?yàn)楹穸?、空間節(jié)省和散熱優(yōu)勢(shì)等因素而被采用。

　　然而，DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行輸出電壓穩(wěn)壓時(shí)帶有容限，其中包含帶隙漂移、比較器偏移和閉環(huán)穩(wěn)壓等參數(shù)。設(shè)計(jì)人員使用帶外部電阻橋的轉(zhuǎn)換器時(shí)還必須顧及電阻精度。

　　本文將詳述設(shè)計(jì)帶2個(gè)并聯(lián)DC-DC轉(zhuǎn)換器的電源的方法和技巧。最后，還將探討一種高性價(jià)比和高空間效率的解決方案及其應(yīng)用設(shè)計(jì)，此方案使用高集成度雙通道降壓轉(zhuǎn)換器，提供1.6 A電流能力。

　　NCP1532

　　NCP1532雙通道降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器是一款單片集成電路，專門(mén)用于采用1節(jié)鋰離子電池或3節(jié)堿/鎳鉻/鎳氫電池供電的便攜應(yīng)用，為新的多媒體設(shè)計(jì)的內(nèi)核和輸入/輸出(I/O)電壓供電。兩個(gè)通道的電壓都可在0.9V至3.3V范圍之間調(diào)節(jié)，能夠提供達(dá)1.6A的總電流，而每通道的最大電流為1.0A。兩個(gè)轉(zhuǎn)換器都工作在 2.25MHz開(kāi)關(guān)頻率，能使用較小的電感(低至1μH)和電容以減小元件尺寸，還可180o異相工作以降低電池上的大量電流需求。這器件可在PWM/PFM模式之間自動(dòng)切換，并采用同步整流技術(shù)，提供更高的系統(tǒng)能效。

必須評(píng)估外部元件

　　并聯(lián)2個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)增加輸出電流能力需要額外的鎮(zhèn)流電阻，以此防止出現(xiàn)2個(gè)轉(zhuǎn)換器沒(méi)有精確設(shè)定為相同電壓的狀況。在諸如安森美半導(dǎo)體NCP1532這樣的全集成雙通道DC-DC轉(zhuǎn)換器中，源自誤差放大器和參考電壓的漂移可以忽略不計(jì)。然而，工程師需將這些鎮(zhèn)流電阻減至最小，以降低功率損耗、優(yōu)化解決方案能效，及確保可接受的負(fù)載穩(wěn)壓性能。

　　下述假設(shè)用于計(jì)算鎮(zhèn)流電阻：

　　● 兩個(gè)轉(zhuǎn)換器使用相同參考電壓。但由于外部電阻容限的緣故，每通道穩(wěn)壓輸出電壓并不相同，我們能夠假設(shè)通道1在其容限的高端穩(wěn)壓，而通道2而在其容限的低端穩(wěn)壓;

　　● 鎮(zhèn)流電阻將確保兩個(gè)轉(zhuǎn)換器不能超過(guò)它們的最大輸出電流，即每通道1 A;

　　● 兩個(gè)RSHARE鎮(zhèn)流電阻的電阻值相同。

　基于上述假設(shè)，圖2對(duì)應(yīng)的電氣參數(shù)可用于計(jì)算鎮(zhèn)流電阻：

　　其中VOUT是輸出電壓;TOLOUT是外部分流比提供的容限，由等式(2)確定;IOUT是每通道最大輸出電流;ILOADmax是最大額定電流。

　　總輸出電壓參考TOLOUT取決于外部分流器TOLR的精度：

　　以NCP1532為例，完成鎮(zhèn)流電阻計(jì)算所需的參數(shù)是：反饋電壓閾值VFB = 0.6 V;最大輸出電流IOUT=1.0A;最大額定電流ILOADmax=1.6A;輸出電壓VOUT=1.2V、所使用電阻分流器精度為0.1%的DC-DC輸出的容限是：

　　除了典型應(yīng)用示意圖所描述的第一部分的幾個(gè)外部元件，這交錯(cuò)式NCP1532雙通道應(yīng)用示意圖還使用2個(gè)精度為0.1%的電阻橋和2個(gè)連接濾波器輸出至外部負(fù)載的6mW鎮(zhèn)流電阻。

　仿真圖顯示鎮(zhèn)流電阻對(duì)負(fù)載穩(wěn)壓的影響

　　如果我們視兩個(gè)通道為適合的電壓源—配置為提供1.2V±0.1%精度，圖4仿真了我們的設(shè)計(jì)示例。

　　6mW鎮(zhèn)流電阻補(bǔ)償電阻分流器的高端及低端容限，而不會(huì)超越最大輸出電流能力。然而，這種方法在1.6A電流時(shí)影響負(fù)載穩(wěn)壓性能達(dá)4.8mV，并會(huì)增加串聯(lián)損耗。

　　提升能效的關(guān)鍵是將RSHARE鎮(zhèn)流電阻減至最小

　　將串聯(lián)損耗減到最小的關(guān)鍵因素是將等式(1)和等式(2)確定的鎮(zhèn)流電阻RSHARE減至最小?；陔p通道DC-DC轉(zhuǎn)換器的最初假設(shè)能夠在相當(dāng)程度上降低這些串聯(lián)電阻值。因此，可以在負(fù)載均衡情況下計(jì)算1.6A負(fù)載時(shí)的功率損耗：

　　而在均衡負(fù)載情況下，可以得出：

　　與負(fù)載提供的功率相比較：

　　使用雙通道DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，鎮(zhèn)流電阻對(duì)能效產(chǎn)生的影響(8.2mW/1.92W=0.0043)小于0.5%。

　　交錯(cuò)使用兩個(gè)精度為3%的獨(dú)立式DC-DC轉(zhuǎn)換器將需要電阻值更高的鎮(zhèn)流電阻;而這會(huì)大幅影響負(fù)載穩(wěn)壓及能效。已經(jīng)計(jì)算出3%精度時(shí)的鎮(zhèn)流電阻為180mΩ。使用兩個(gè)獨(dú)立式DC-DC轉(zhuǎn)換器影響能效達(dá)12%，而這對(duì)便攜設(shè)備而言是不可接受的。

負(fù)載瞬態(tài)性能確認(rèn)設(shè)計(jì)的有效性

　　使用兩個(gè)單獨(dú)通道有利于對(duì)大負(fù)載瞬態(tài)事件作出反應(yīng)。而且，與“超級(jí)”DC-DC轉(zhuǎn)換器相比，這種負(fù)載分擔(dān)(load sharing)方法能夠使用頻率更高、帶寬更大的器件。高開(kāi)關(guān)頻率需要更小電感，而較小電感對(duì)電流改變作出反應(yīng)所需的時(shí)間更短。圖5詳細(xì)描繪了與圖3應(yīng)用電路相關(guān)的800mA負(fù)載瞬態(tài)和1μs上升時(shí)間。

　　瞬態(tài)性能證實(shí)了系統(tǒng)的大帶寬和穩(wěn)定性：過(guò)沖可接受，沒(méi)有振鈴，恢復(fù)速度快。圖5顯示，在800mA負(fù)載瞬態(tài)下的壓降低于40mV，而上升時(shí)間為1μs。這個(gè)測(cè)量結(jié)果確認(rèn)了負(fù)載分擔(dān)分析的有效性，并進(jìn)一步提升了這種解決方案的主要優(yōu)勢(shì)。

　　異相工作降低電池線路上的瞬態(tài)噪聲以及電磁干擾

　　先進(jìn)的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器能夠具有同步特性，降低開(kāi)關(guān)噪聲及減少電磁干擾(EMI)。我們示例中的雙通道降壓轉(zhuǎn)換器能夠異相工作;這個(gè)選項(xiàng)是可以外部選擇的。在那種控制模式下，第一個(gè)轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)事件與第二個(gè)轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)事件方向相反(隔180o)。另外，電池線路上的功率需求分布在兩種工作相位，而使用異相工作時(shí)三角波形消失。高端和低端晶體管導(dǎo)通和關(guān)閉時(shí)出現(xiàn)的尖峰也大幅減小。

　　空間要求及布線

　　應(yīng)用高頻DC-DC轉(zhuǎn)換器需要注意一些規(guī)則，這樣才能獲得強(qiáng)大的便攜應(yīng)用。

　　良好的布線是防止開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器自身及給應(yīng)用產(chǎn)生噪聲的關(guān)鍵。實(shí)際上，類似于任何閉環(huán)系統(tǒng)，保護(hù)反饋引腳使其免受任何外部寄生信號(hào)耦合的影響需要特別的注意。由于便攜數(shù)字電路消耗大量電流，設(shè)計(jì)人員必須從輸入到輸出，特別檢查電池到地平面的大電流通道構(gòu)成的環(huán)路即所謂的電流環(huán)路。

　　通常最少應(yīng)用4層的印制電路板，其中包括接地層和電源層。大電流通道(電感電容(LC)濾波器和鎮(zhèn)流電阻)設(shè)計(jì)在上部，而敏感的反饋網(wǎng)絡(luò)位于底部。

　　結(jié)語(yǔ)

　　對(duì)于需要大電流的應(yīng)用而言，交錯(cuò)2個(gè)通用DC-DC轉(zhuǎn)換器是一個(gè)增值特性。與單個(gè)“超級(jí)”獨(dú)立DC-DC轉(zhuǎn)換器相比，負(fù)載分擔(dān)技術(shù)在2個(gè)不同通道分散功率和噪聲，因此將器件保持在相同溫度所需花費(fèi)的冷卻精力更少。諸如輸入和輸出電容及電感等外部元件會(huì)更小，并能幫助節(jié)省應(yīng)用電路板上的空間。

　　如果鎮(zhèn)流電阻對(duì)負(fù)載穩(wěn)壓和能效的影響減至最小，對(duì)負(fù)載極重及有大負(fù)載瞬態(tài)需求的應(yīng)用而言，負(fù)載分擔(dān)就是一種極佳的方法。

　　安森美半導(dǎo)體的NCP1532是一種應(yīng)用這種技術(shù)的高空間效率和高性價(jià)比解決方案。