為什么DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)盡可能靠近負載的負載點(POL)電源？

在這些數(shù)字系統(tǒng)中，有很多都使用高電流和低電壓，因此更需要盡可能縮短電源和負載之間的距離。高電流導致的一個明顯問題是，從轉(zhuǎn)換器到負載，線路產(chǎn)生的電壓會不斷下降。圖1和圖2顯示了電源和負載之間引線電阻的最小化如何使轉(zhuǎn)換器的輸出電壓降最小化——本例中是控制器IC和為CPU供電的MOSFET。

? 圖1.PCB走線較窄情況下的DC-DC輸出電壓降

? 圖2.PCB走線較寬情況下的DC-DC輸出電壓降

圖2所示的較寬PCB走線減小了壓降以達到精度要求，但還必須考慮寄生電感。圖2中的PCB走線長度估計有約14.1 nh的電感，如圖3的LTspice模型所示。

電感會抑制電流的動態(tài)變化di/dt，當負載變化時，經(jīng)過該寄生電感的電流受其時間常數(shù)限制，瞬態(tài)響應(yīng)劣化。寄生電感導致的結(jié)果是電壓下降，如圖4中的仿真圖所示。

將轉(zhuǎn)換器放在負載附近可使PCB電阻和寄生電感的影響最小。DC-DC轉(zhuǎn)換器IC應(yīng)放置在最靠近CPU的位置。注意，圖1和圖2顯示了傳統(tǒng)高電流電源（即開關(guān)模式控制器和外部FET）的原理圖?？刂破鱂ET解決方案可以處理上述應(yīng)用所需的高電流負載?？刂破鹘鉀Q方案的問題是外部FET有空間要求，因而可能難以獲得真正的POL穩(wěn)壓器解決方案，如圖5的示例布局所示。

控制器的一個替代方案是單芯片解決方案，其中FET在轉(zhuǎn)換器IC內(nèi)部。例如， LTC3310S 單片降壓調(diào)節(jié)器（IC尺寸為3 mm×3 mm）可實現(xiàn)負載點解決方案，單個IC最多可提供10 A電流，并聯(lián)多個IC可提供20 A電流。這些IC分別如圖6和圖12所示。

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圖7.小尺寸LTC3310S支持POL布局

除了小封裝尺寸外，LTC3310S還支持最大5 MHz的開關(guān)頻率——高頻工作可減小必要的輸出電容和整體解決方案PCB尺寸。圖8顯示了LTC3310S的負載瞬態(tài)性能，其中8 A負載變化導致的輸出電壓偏移小于±40 mV，此性能的實現(xiàn)只需要110μF輸出電容。

? 圖8.LTC3310S的瞬態(tài)響應(yīng)

盡管使用高功率單片POL轉(zhuǎn)換器具有明顯的優(yōu)點，但有一個因素可能是攪局者：熱量。如果轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的熱量過多，則它將無法用于已然很熱的系統(tǒng)中。

在上述解決方案中，LTC3310S內(nèi)部溫度升幅通過高效率操作而得以最小化，即使在CPU、SoC和FPGA等高功耗器件周圍的惡劣溫度條件下，它也能夠可靠地運行。此外，LTC3310S內(nèi)置精密溫度傳感器，支持通過SSTT引腳測量內(nèi)部結(jié)溫，如圖10所示，相應(yīng)的溫度傳感器特性如圖11所示。

圖9.LTC3310S的熱攝像頭圖像

? 圖10.LTC3310S溫度檢測引腳

? 圖11.軟啟動和溫度監(jiān)控操作

某些單片穩(wěn)壓器可通過多相并聯(lián)操作擴展到更高負載應(yīng)用。圖12顯示了多個LTC3310S器件并聯(lián)并錯相工作，使得電流能力加倍。

控制器的時鐘由RT引腳上的單個電阻設(shè)置，子節(jié)點的相對相位通過RT引腳上的電阻分壓器編程。在圖12所示的情況中，RT接地，將子節(jié)點設(shè)置為相對于控制器相移180°。

? 圖12.20 A雙相單片穩(wěn)壓器POL解決方案

圖13顯示了2通道轉(zhuǎn)換器的電感電流和輸出紋波電流，如圖12所示。同相性能與雙反相性能進行比較。反相操作將輸出紋波電流（通過抵消）從14 A峰峰值（單相）降低到6 A峰峰值（雙相），而無需額外的外部濾波器。

? 圖13.比較兩個版本的雙通道轉(zhuǎn)換器的電感電流和輸出電流：(a) 同相通道與 (b) 反相通道

總之，LTC3310S是一款高效且小型的POL解決方案，適用于為高耗電CPU、SoC、FPGA供電的高電流電源系統(tǒng)。其尺寸很小，并可優(yōu)化功率效率，導致自發(fā)熱很低，因而其可以非?？拷撦d。它可以輕松并聯(lián)，在多相解決方案中使用多個LTC3310S可提高功率。