產(chǎn)生高輸出電流時(shí)輸出低電壓的降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊介紹

在基于云的數(shù)據(jù)中心和RAID陣列中使用的許多機(jī)架安裝系統(tǒng)中，低DC總線電壓（例如3.3 V或5.0 V）是首選的主配電軌。為了在這些系統(tǒng)的主板上為FPGA，DSP處理器和其他ASIC等負(fù)載點(diǎn)（POL）IC供電，低直流母線電壓必須進(jìn)一步降低至2.5 V或更低，并能夠提供高負(fù)載當(dāng)前。此外，由于空間限制和熱管理挑戰(zhàn)，應(yīng)用要求具有必須超快的負(fù)載階躍響應(yīng)的緊湊封裝具有高轉(zhuǎn)換效率。從本質(zhì)上講，這些系統(tǒng)板正在尋找完整的非隔離高效DC/DC解決方案，并占用PC板上非常小的空間。

為了滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的這些和其他嚴(yán)格要求，德州儀器（TI），凌力爾特公司（Linear Technology）和Intersil等供應(yīng)商已經(jīng)準(zhǔn)備好使用最少數(shù)量外部的集成降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊無源器件。

德州儀器（TI）已經(jīng)發(fā)布了許多適合這些需求的簡(jiǎn)單切換器。其中一個(gè)解決方案是LMZ31520，一個(gè)20 A DC/DC轉(zhuǎn)換器，可提供0.6 V至3.6 V的可調(diào)輸出電壓，效率高達(dá)96％。高功率Simple Switcher采用薄型QFN封裝（圖1）中的功率MOSFET，屏蔽電感和無源元件，僅使用三個(gè)外部元件即可提供具有低輸出電壓的完整降壓DC/DC模塊。

圖1：TI集成簡(jiǎn)易開關(guān)LMZ31520的功能框圖。

使用VADJ和AGND引腳之間的外部電阻RSET，可以很容易地將LMZ31520的輸出電壓從0.6 V調(diào)節(jié)到3.6 V.產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中的表格分別為輸入PVIN為12 V，5 V和3.3 V的歐姆提供了計(jì)算的RSET值。推薦的開關(guān)頻率為500 kHz，可通過保持FREQ_SEL引腳開路來配置。事實(shí)上，同一產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中的另一個(gè)表提供了各種RFREQ電阻值的開關(guān)頻率值，當(dāng)它連接在FREQ_SL引腳與PGND或V5V引腳之間時(shí)。

從3.3 V電源供電

由于目前幾種應(yīng)用必須使用3.3 V電源軌，因此較低輸入電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器正變得越來越流行。雖然這種電源可以有效地切換較低的輸入電壓，但它們?nèi)匀恍枰叩钠秒妷簛眚?qū)動(dòng)一些內(nèi)部電路。因此，從3.3 V軌道容易產(chǎn)生更高偏置電壓的能力變得越來越重要。為了簡(jiǎn)化這項(xiàng)任務(wù)，TI提供TPS60151，一個(gè)輸入范圍為2.7 V至5.5 V的電荷泵。因此，它可以將3.3 V輸入升壓至5.0 V輸出，電流高達(dá)150 mA。由于空間非常重要，它采用緊湊的2 x 2 mm QFN封裝。

因此，當(dāng)從3.3 V總線為L(zhǎng)MZ31520供電時(shí)，TPS60151可用于為轉(zhuǎn)換器模塊產(chǎn)生偏置電壓如圖2所示。為此，LMZ31520提供兩個(gè)輸入引腳PVIN和VIN。引腳PVIN專為開關(guān)電壓輸入而設(shè)計(jì)，引腳VIN處理輸入偏置電壓。由于輸入切換電壓PVIN是轉(zhuǎn)換為較低輸出電壓的電壓，因此需要更高的電流。同樣，輸入偏置電壓VIN為器件的內(nèi)部電路供電，并且它需要相對(duì)少量的電流。

圖2：當(dāng)輸入電壓為3.3 V時(shí)，電荷泵TPS60151為L(zhǎng)MZ3器件產(chǎn)生5.0 V偏置電壓使用5.0 V總線為轉(zhuǎn)換器供電時(shí)，輸入對(duì)PVIN和VIN引腳都是通用的。在這種情況下，兩個(gè)引腳連接在一起，形成一個(gè)5.0 V或更高的輸入，如圖3所示?？梢钥闯?，對(duì)于1.2 V輸出，RSET值為1.43kΩ，F(xiàn)REQ-SEL引腳打開開關(guān)頻率為500 kHz。

圖3：輸入電壓為4.5 V或更高時(shí)使用LMZ31520的典型應(yīng)用原理圖在這種情況下，引腳PVIN和VIN連接在一起以進(jìn)行公共輸入。

對(duì)于輸出端要求高于20 A的應(yīng)用，TI提供引腳兼容版本LMZ31530。作為Simple Switcher LMZ3系列的一員，其輸入和輸出電壓規(guī)格與LMZ31520相似，能夠提供高達(dá)30 A的輸出電流。

兩個(gè)版本都具有超快速負(fù)載階躍響應(yīng)。數(shù)據(jù)表顯示，對(duì)于2.5 A/μs負(fù)載步長(zhǎng)，IOUT為25％至75％，恢復(fù)時(shí)間為30μs。同樣，降壓型Simple Switcher模塊旨在提供高達(dá)96％的轉(zhuǎn)換效率。

其他來源

如果您的應(yīng)用需要在低輸入和輸出電壓下輸出電流略低，凌力爾特公司已準(zhǔn)備好LTM4611， μModule穩(wěn)壓器，采用纖巧的15 x 15 x 4.32 mm LGA封裝，提供完整的開關(guān)模式DC/DC解決方案。如圖4所示，它使用一些輸入和輸出電容，在1.8 V至5.5 V的輸入電壓下以高效率提供高達(dá)15 A的電流。另外，μModule的低輸出電壓可在0.8 V和5.0 V之間調(diào)節(jié)通過外部電阻RSET。對(duì)于1.5 V輸出，RSET為69kΩ，如圖所示。產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中的表格提供各種輸出電壓的RSET值。內(nèi)置差分讀出放大器可確保輸出電壓在輸入電壓VIN的300 mV范圍內(nèi)嚴(yán)格調(diào)節(jié)。

圖4：線性μModule穩(wěn)壓器LTM4611使用少量外部無源器件從輸入提供完整的15 A開關(guān)模式降壓DC/DC解決方案 - 1.5 V至5.5 V的電壓范圍。輸出電壓1.5 V，由外部電阻RSET設(shè)置。

根據(jù)供應(yīng)商的說法，高開關(guān)頻率和電流模式架構(gòu)使轉(zhuǎn)換器能夠提供對(duì)線路和負(fù)載變化的非?？焖俚乃矐B(tài)響應(yīng)，而不會(huì)影響穩(wěn)定性。該器件的數(shù)據(jù)表顯示，對(duì)于動(dòng)態(tài)負(fù)載步驟，該單元可以在40μs內(nèi)穩(wěn)定下來。從低負(fù)荷到滿負(fù)荷，整體效率優(yōu)于91％，峰值為94％。

另一種低輸入和低輸出集成降壓轉(zhuǎn)換器解決方案，但輸出電流較低，來自Intersil。它的ISL8203M是一個(gè)6 A版本，只需要幾個(gè)外部組件即可完成解決方案。與其他產(chǎn)品一樣，它在緊湊的QFN封裝中集成了PWM控制器，同步開關(guān)MOSFET，電感器和無源元件，可最大限度地提高效率并最大限度地減少外部元件數(shù)量。 ISL8203M的電源電壓范圍為2.85 V至6.0 V，優(yōu)化用于產(chǎn)生低至0.8 V的低輸出電壓。降壓轉(zhuǎn)換器的雙輸出可以組合在一起，從單個(gè)低輸出電壓獲得6 A，如圖所示圖5.功率模塊的效率最高可達(dá)95％，瞬態(tài)響應(yīng)速度很快。

圖5：ISL8203M是一個(gè)集成的降壓模塊轉(zhuǎn)換器模塊經(jīng)過優(yōu)化，可在中等輸出電流下產(chǎn)生低輸出電壓。

總結(jié)

對(duì)于需要高輸出電流的POL應(yīng)用低壓輸入，許多半導(dǎo)體供應(yīng)商已準(zhǔn)備好集成的降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊，可提供低輸出電壓，高效率和超快響應(yīng)。更重要的是，這些集成模塊采用封裝，占用PC板上占用的空間很小。