空間受限應(yīng)用的最高功率密度、多軌電源解決方案

來(lái)源：電子發(fā)燒友網(wǎng)  作者：Maurice O’Brien2014年08月28日 10:55

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[導(dǎo)讀] 隨著通信、醫(yī)療和工業(yè)設(shè)備的總體尺寸不斷縮小，電源管理設(shè)計(jì)變得越來(lái)越重要。本文討論高度集成的全新電源管理解決方案的應(yīng)用，這些新器件為RF系統(tǒng)、FPGA和處理器供電所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，以及有助于設(shè)計(jì)人員快速實(shí)現(xiàn)新設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)工具。

關(guān)鍵詞：RF系統(tǒng)電源管理

　　在通信基礎(chǔ)設(shè)施中，毫微微蜂窩和微微蜂窩的興起推動(dòng)基站向更小型化方向發(fā)展，這對(duì)數(shù)字基帶、存儲(chǔ)器、RF收發(fā)器和功率放大器的供電提出了復(fù)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(tǒng)需要密度非常高的電源，它能以快速瞬變響應(yīng)輸送大電流以便為數(shù)字基帶供電，同時(shí)利用低噪聲、低壓差調(diào)節(jié)器（LDO）為AD9361 RF捷變收發(fā)?、溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）和其他噪聲關(guān)鍵電源軌供電。將開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置到關(guān)鍵RF頻段以外可降低噪聲，并且同步開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可確保拍頻不影響RF性能。降低數(shù)字基帶的內(nèi)核電壓（VCORE）可將低功耗模式的功耗降至最低，電源時(shí)序控制則可確保數(shù)字基帶在RF收發(fā)器使能之前上電并運(yùn)行。數(shù)字基帶與電源管理之間的I2C接口允許改變降壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓。為提高可靠性，電源管理系統(tǒng)可以監(jiān)控其自身的輸入電壓和芯片溫度，向基帶處理器報(bào)告任何故障。

　　圖1. 小型基站需要多種電源

　　同樣，醫(yī)療和儀器設(shè)備（如便攜式超聲設(shè)備和手持式儀器）的趨勢(shì)也是尺寸越來(lái)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(chǔ)器供電，如圖2所示。典型的FPGA和存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)需要密度非常高的電源，它能以快速瞬變響應(yīng)輸送大電流以便為內(nèi)核和I/O電源軌供電，同時(shí)通過(guò)低噪聲軌為鎖相環(huán)（PLL）等片內(nèi)模擬電路供電。電源時(shí)序至關(guān)重要，應(yīng)確保FPGA在存儲(chǔ)器使能之前上電并運(yùn)行。帶精密使能輸入和專(zhuān)用電源良好輸出的穩(wěn)壓器支持電源時(shí)序控制和故障監(jiān)控。電源設(shè)計(jì)師通常希望將同一電源IC用在不同應(yīng)用中，因此，必須能夠改變電流限值。這種設(shè)計(jì)重用可大幅縮短產(chǎn)品上市時(shí)間——任何新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程中的關(guān)鍵要素之一。

　　圖2. 為基于FPGA的系統(tǒng)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(jiàn)設(shè)計(jì)規(guī)格：

　　內(nèi)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(chǔ)器電軌：1.5 V （1.2 A）

　　時(shí)鐘電軌：1.0 V （200 mA）

　　典型的分立方案如圖3a所示，4個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器連接到12 V輸入軌。一個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出預(yù)調(diào)節(jié)LDO以降低功耗。另一種方法如圖3b所示，使用一個(gè)穩(wěn)壓器將12 V輸入降壓至5 V中間軌，然后再經(jīng)調(diào)節(jié)以產(chǎn)生所需的各個(gè)電壓。該方案的成本較低，但由于采用兩級(jí)電源轉(zhuǎn)換，效率也較低。在以上兩種方案中，各穩(wěn)壓器都必須獨(dú)立使能，因此，可能需要一個(gè)專(zhuān)用電源時(shí)序控制器來(lái)控制電源的時(shí)序。噪聲可能也是一個(gè)問(wèn)題，除非所有開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器都能同步以降低拍頻。

　　圖3. （a） 分立穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)，（b） 備選分立穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)

　　集成解決方案實(shí)現(xiàn)高效率、小尺寸

　　將多個(gè)降壓調(diào)節(jié)器和LDO集成到單個(gè)封裝中，可顯著縮小電源管理設(shè)計(jì)的總體尺寸。此外，與傳統(tǒng)分立方案相比，智能型集成解決方案具有許多優(yōu)勢(shì)。減少分立元件數(shù)目可大幅降低設(shè)計(jì)的成本、復(fù)雜度和制造成本。集成電源管理單元（PMU）ADP5050 和 ADP5052 可在單個(gè)IC中實(shí)現(xiàn)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(yù)調(diào)節(jié)器級(jí)，各降壓調(diào)節(jié)器均直接從12 V電壓供電（類(lèi)似于圖3a）。降壓調(diào)節(jié)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(shè)計(jì)師可以快速輕松地為新設(shè)計(jì)改變電流，大大縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。LDO可從1.7 V至5.5 V電源供電。在本例中，其中一個(gè)降壓調(diào)節(jié)器的1.8 V輸出為L(zhǎng)DO供電，提供低噪聲1 V電源軌用于噪聲敏感的模擬電路。

　　開(kāi)關(guān)頻率fSW由電阻RRT設(shè)置，范圍是250 kHz到1.4 MHz。靈活的開(kāi)關(guān)頻率范圍使得電源設(shè)計(jì)師可以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)，降低頻率以實(shí)現(xiàn)最高效率，或者提高頻率以實(shí)現(xiàn)最小的總體尺寸。圖4顯示了fSW 與 RRT之間的關(guān)系。RRT的值可通過(guò)下式計(jì)算：

　　RRT = （14822/fSW）1.081，R的單位為kΩ，f的單位為kHz。

　　圖4. 開(kāi)關(guān)頻率與RRT的關(guān)系

　　某些設(shè)計(jì)中，兩者都很重要：對(duì)較高電流軌使用較低的開(kāi)關(guān)頻率以提供最高電源效率，對(duì)較低電流軌使用較高的開(kāi)關(guān)頻率以縮小電感尺寸和實(shí)現(xiàn)最小的PCB面積。ADP5050的主開(kāi)關(guān)頻率具有二分頻選項(xiàng)，能夠以?xún)煞N頻率工作，如圖5所示。降壓調(diào)節(jié)器1和3的開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)I2C端口設(shè)置為主開(kāi)關(guān)頻率的一半。

　　圖5. ADP5050對(duì)高電流軌使用低開(kāi)關(guān)頻率以提高效率，對(duì)低電流軌使用高開(kāi)關(guān)頻率以縮小電感尺寸

　　電源時(shí)序控制

　　如圖6所示，ADP5050和ADP5052通過(guò)四個(gè)特性來(lái)簡(jiǎn)化使用FPGA和處理器的應(yīng)用的電源時(shí)序控制：精密使能輸入、可編程軟啟動(dòng)、電源良好輸出和有源輸出放電開(kāi)關(guān)。

　　精密使能輸入： 每個(gè)穩(wěn)壓器，包括LDO在內(nèi)，都有一個(gè)帶0.8 V精密基準(zhǔn)電壓的使能輸入（圖6-1）。當(dāng)使能輸入的電壓大于0.8 V時(shí)，穩(wěn)壓器使能；當(dāng)該電壓小于0.725 V時(shí)，穩(wěn)壓器禁用。內(nèi)部1 MΩ下拉電阻可防止該引腳懸空時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤。利用精密使能閾值電壓，很容易控制器件內(nèi)的電源時(shí)序，使用外部電源時(shí)也一樣。例如，降壓調(diào)節(jié)器1設(shè)置為5 V時(shí)，可以利用一個(gè)電阻分壓器來(lái)設(shè)置精確的4.0 V跳變點(diǎn)以使能降壓調(diào)節(jié)器2，依此類(lèi)推為所有輸出設(shè)置精確的上電時(shí)序。

　　可編程軟啟動(dòng)：軟啟動(dòng)電路以可控方式緩慢提高輸出電壓，從而限制浪涌電流。軟啟動(dòng)引腳連接到 VREG時(shí)，軟啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置為2 ms；在軟啟動(dòng)引腳與 VREG和地之間連接一個(gè)電阻分壓器時(shí)，軟啟動(dòng)時(shí)間可提高至8 ms（圖6-2）。為了支持特定啟動(dòng)序列或具有大輸出電容的值，可能需要這種配置。軟啟動(dòng)的可配置能力和靈活性使大型復(fù)雜的FPGA以及處理器能以安全可控的方式上電。

　　1. 精密使能閾值高于0.8V使能穩(wěn)壓器，低于0.72V（遲滯）則關(guān)斷穩(wěn)壓器。2. 可編程軟啟動(dòng)各通道上的不同軟啟動(dòng)可編程為2ms、4ms、8ms。

　　3. PWRGD輸出CH1到CH4的所需PWRGDx可通過(guò)工廠熔絲或I2C配置。4. 有源輸出放電開(kāi)關(guān)可以接通輸出放電開(kāi)關(guān)以縮短輸出電容的放電周期。

　　圖6. ADP5050和ADP5052簡(jiǎn)化電源時(shí)序控制

　　電源良好輸出：當(dāng)所選降壓調(diào)節(jié)器正常工作時(shí)，開(kāi)漏電源良好輸出（PWRGD）變?yōu)楦唠娖剑▓D6-3）。電源良好引腳可以將電源的狀況告知主機(jī)系統(tǒng)。默認(rèn)情況下，PWRGD監(jiān)控降壓調(diào)節(jié)器1上的輸出電壓，但也可以定制其它通道來(lái)控制PWRGD引腳。各通道的狀態(tài)（PWRGx位）可通過(guò)ADP5050上的I2C接口回讀。PWRGx位的邏輯高電平表示調(diào)節(jié)輸出電壓高于標(biāo)稱(chēng)輸出的90.5%。當(dāng)調(diào)節(jié)輸出電壓降至其標(biāo)稱(chēng)輸出的87.2%以下并持續(xù)50 μs以上時(shí)，PWRGx位設(shè)為邏輯低電平。PWRGD輸出是內(nèi)部未屏蔽PWRGx信號(hào)的邏輯和。內(nèi)部PWRGx信號(hào)必須為高電平且持續(xù)至少1 ms，PWRGD引腳才能變?yōu)楦唠娖剑蝗绻我釶WRGx信號(hào)發(fā)生故障，則PWRGD引腳毫無(wú)延遲地變?yōu)榈碗娖健？刂芇WRGD的通道（通道1至通道4）由工廠熔絲指定，或通過(guò)I2C接口設(shè)置相應(yīng)位來(lái)指定。

　　有源輸出放電開(kāi)關(guān)： 每個(gè)降壓調(diào)節(jié)器均集成一個(gè)放電開(kāi)關(guān)，它連接在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)與地之間（圖6-4）。當(dāng)其相關(guān)調(diào)節(jié)器禁用時(shí)，開(kāi)關(guān)接通，有助于使輸出電容快速放電。對(duì)于通道1至通道4，放電開(kāi)關(guān)的典型電阻為250 Ω。當(dāng)調(diào)節(jié)器禁用時(shí)，即使有大容性負(fù)載，有源放電開(kāi)關(guān)也會(huì)將輸出拉至地。這樣就能顯著提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，尤其是在周期供電時(shí)。

　　圖7所示為典型的上電/關(guān)斷時(shí)序。

　　圖7. 典型的上電/關(guān)斷時(shí)序

　　I2C 接口

　　I2C 接口實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩個(gè)降壓調(diào)節(jié)器輸出（通道1和通道4）的高級(jí)監(jiān)控和基本動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整。

　　輸入電壓監(jiān)控：可以監(jiān)控輸入電壓是否發(fā)生欠壓等故障。例如，將12 V電壓施加于輸入，I2C接口配置為：如果輸入電壓低于10.2 V，則觸發(fā)報(bào)警。專(zhuān)用引腳（nINT）上的信號(hào)告知系統(tǒng)處理器問(wèn)題已出現(xiàn)，并關(guān)斷系統(tǒng)以便采取糾正措施。具備監(jiān)控輸入電壓的能力可提高系統(tǒng)可靠性。圖8顯示了可以設(shè)置哪些值來(lái)監(jiān)控ADP5050的輸入電壓。

　　圖8. 輸入欠壓檢測(cè)

　　結(jié)溫監(jiān)控：可以監(jiān)控結(jié)溫以判斷是否發(fā)生過(guò)溫等故障。如果結(jié)溫高于預(yù)設(shè)值（105°C、115°C或125°C），nINT上就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。與熱關(guān)斷不同的是，此功能發(fā)送警告信號(hào)而不關(guān)斷器件。具備監(jiān)控結(jié)溫并提醒系統(tǒng)處理器注意避免發(fā)生系統(tǒng)故障的能力可提高系統(tǒng)可靠性，如圖9所示。

　　圖9. 結(jié)溫監(jiān)控

　　動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整：動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整通過(guò)動(dòng)態(tài)降低低功耗模式下通道1和通道4的電源電壓來(lái)降低系統(tǒng)功耗，它也可以根據(jù)系統(tǒng)配置和負(fù)載動(dòng)態(tài)改變輸出電壓。此外，所有四個(gè)降壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓均可通過(guò) I2C 接口設(shè)置，如圖10所示。

　　圖10. ADP5050輸出電壓選項(xiàng)

　　低噪聲特性

　　多個(gè)特性可降低電源產(chǎn)生的系統(tǒng)噪聲。

　　寬電阻可編程開(kāi)關(guān)頻率范圍：RT引腳上的電阻可在250 kHz至1.4 MHz的范圍內(nèi)設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率。電源設(shè)計(jì)師可靈活地設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率以避免系統(tǒng)噪聲頻段。

　　降壓調(diào)節(jié)器相移：降壓調(diào)節(jié)器的相移可通過(guò)I2C接口設(shè)置。默認(rèn)情況下，通道1和通道2之間以及通道3和通道4之間的相移為180°，如圖11所示。反相操作的優(yōu)勢(shì)是輸入紋波電流和電源接地噪聲更低。

　　圖11. ADP5050/ADP5052的降壓調(diào)節(jié)器相移

　　圖12. 降壓調(diào)節(jié)器的相移可通過(guò)I2C接口配置

　　時(shí)鐘同步：開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)SYNC/MODE引腳同步至250 kHz到1.4 MHz的外部時(shí)鐘。該能力對(duì)于RF和噪聲敏感應(yīng)用很重要。檢測(cè)到外部時(shí)鐘時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率平滑過(guò)渡至其頻率。當(dāng)外部時(shí)鐘停止時(shí)，器件切換到內(nèi)部時(shí)鐘并繼續(xù)正常工作。與外部時(shí)鐘同步可使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師遠(yuǎn)離臨界噪聲頻段，并降低系統(tǒng)中多個(gè)器件產(chǎn)生的噪聲。

　　為成功同步，必須將內(nèi)部開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為接近于外部時(shí)鐘值的值，頻率差建議小于±15%。

　　通過(guò)工廠熔絲或I2C接口，可將SYNC/MODE引腳配置為同步時(shí)鐘輸出。當(dāng)頻率等于內(nèi)部開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，SYNC/MODE引腳產(chǎn)生占空比為50%的正時(shí)鐘脈沖。產(chǎn)生的同步時(shí)鐘與通道1開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間有一個(gè)較短的延遲時(shí)間（約為 tSW）的15%）。

　　圖13顯示了兩個(gè)配置為頻率同步模式的器件：一個(gè)器件配置為時(shí)鐘輸出以同步另一個(gè)器件。應(yīng)當(dāng)使用100 kΩ上拉電阻，以防SYNC/MODE引腳懸空時(shí)發(fā)生邏輯錯(cuò)誤。

　　圖13. RF應(yīng)用顯示兩個(gè)器件同步以降低電源噪聲

　　兩個(gè)器件均同步至同一時(shí)鐘，因此，第一個(gè)器件的通道1與第二個(gè)器件的通道1之間的相移為0°，如圖14所示。

　　圖14. 兩個(gè)以同步模式工作的ADP5050器件的波形

　　ADIsimPower 設(shè)計(jì)工具

　　ADIsimPower? 現(xiàn)在支持多通道高壓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(fù)載電流最高可達(dá)4 A。憑借該設(shè)計(jì)工具，用戶(hù)可以級(jí)聯(lián)通道，將高電流通道并聯(lián)放置以形成8 A電源軌，考慮各通道的熱分布，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用高級(jí)特性，用戶(hù)可以獨(dú)立指定各通道的紋波和瞬變性能、開(kāi)關(guān)頻率、支持半主頻率的通道。

　　ADIsimPower允許用戶(hù)在圖15所示的軟件界面上快速輕松地輸入設(shè)計(jì)要求。

　　圖15. ADIsimPower軟件界面

　　軟件會(huì)智能選擇器件并生成完整的物料清單。評(píng)估板可以直接在該工具內(nèi)申請(qǐng)。設(shè)計(jì)工具支持對(duì)各通道進(jìn)行復(fù)雜的控制，如圖16所示。

　　圖16. （a） 可以指定各軌的紋波、瞬變和響應(yīng)。

　　（b） 使用精密使能的高級(jí)時(shí)序控制要求。

　　利用ADIsimPower，電源設(shè)計(jì)師可以快速獲得準(zhǔn)確、經(jīng)過(guò)測(cè)試的可靠性能數(shù)據(jù)，如圖17所示。

　　圖17. ADIsimPower仿真輸出

　　隨后便可在評(píng)估板上組裝設(shè)計(jì)，如圖18所示。

　　圖18. 使用ADP5050/ADP5052的電源電路

　　ADP5050/ADP5052/ADP5051/ADP5053 技術(shù)規(guī)格

　　產(chǎn)品型號(hào)描述VIN （V）VOUT （V）輸出數(shù)輸出電流 （mA）I2C主要特性封裝報(bào)價(jià) （美元/片）

　　ADP5050四通道降壓調(diào)節(jié)器、LDO、I2C降壓：4.5至150.8 至 0.85 × VIN2 × 降壓4000、2500或1200是帶獨(dú)立使能引腳和電源良好指示的I2C接口48引腳LFCSP4.39

　　2 × 降壓1200

　　LDO：1.7至5.50.5 至 4.75LDO200

　　ADP5051四通道降壓調(diào)節(jié)器、POR/WDI、I2C降壓：4.5至150.8 至 0.85 × VIN2 × 降壓4000、2500或1200是帶獨(dú)立使能引腳和電源良好指示的I2C接口48引腳LFCSP4.59

　　2 × 降壓1200

　　ADP5052四通道穩(wěn)壓器、LDO降壓：4.5至150.8 至 0.85 × VIN2 × 降壓4000、2500或1200否獨(dú)立使能引腳和電源良好指示48引腳LFCSP3.59

　　2 × 降壓1200

　　LDO：1.7至5.50.5 至 4.75LDO200

　　ADP5053四通道降壓調(diào)節(jié)器、POR/WDI降壓：4.5至150.8 至 0.85 × VIN2 × 降壓4000、2500或1200否獨(dú)立使能引腳和電源良好指示48引腳LFCSP3.79

　　2 × 降壓1200

　　圖19. ADP5050/ADP5051/ADP5052/ADP5053：四通道降壓開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，帶LDO或POR/WDI，采用LFCSP封裝

　　結(jié)論

　　高度集成的全新PMU可實(shí)現(xiàn)具有高電源效率、高可靠性和超小尺寸的復(fù)雜電源管理解決方案。全新設(shè)計(jì)工具與靈活的集成電路相結(jié)合，則可縮短這些復(fù)雜電源產(chǎn)品的上市時(shí)間。ADP505x系列是ADI公司高度集成的多路輸出穩(wěn)壓器的最新產(chǎn)品組合，該系列使單個(gè)IC能快速輕松地用于許多不同的應(yīng)用，從而縮短電源設(shè)計(jì)時(shí)間。

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