【導讀】隨著技術不斷進步，所有電子系統(tǒng)中包含的功能內(nèi)容數(shù)量不斷增多，可用空間卻在不斷減少。手機有觸摸屏、手電筒、省電模式和精巧的攝像頭。以前汽車儀表盤上只有基本的AM收音機和少量簡易的儀表，現(xiàn)在卻裝滿了精密的儀器儀表、衛(wèi)星收音機、藍牙®、GPS和其他基于手機的網(wǎng)絡連接、多彩車燈以及無數(shù)的USB接口。工業(yè)計算機包含條形碼讀碼器、大屏幕、硬盤驅(qū)動器和發(fā)光鍵盤。醫(yī)療電子設備包含傳感器、多強度閃光燈、儀表和省電模式。
不變的是對電源和功率的需求。隨著便攜式和系統(tǒng)電子功能不斷增加，它們對功率的需求也隨之增加，特別是在用到以下這些復雜的電子IC時：
● 圖形處理單元(GPU)
● 現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)
● M微控制器和微處理器
● 可編程邏輯器件(PLD)
● 數(shù)字信號處理器(DSP)
● A專用集成電路(ASIC)
● 可編程邏輯器件(PLD)
這些復雜的數(shù)字器件需要高功率密度多電壓軌電源，這些電源具有高電流、低電壓和快速瞬態(tài)響應特性。這些嚴格的要求和特定的高性能要求（如低噪音或數(shù)字控制）加在一起，為電源設計人員提供先進的解決方案造成了不小的壓力。在所有情況下，電源設計人員也應保持同步跟上這些器件需求的演進。
功率系統(tǒng)設計挑戰(zhàn)
現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計人員面臨著諸多挑戰(zhàn)，包括滿足嚴格的空間要求、有限的工作溫度范圍和噪聲規(guī)格。器件高度集成可以幫助節(jié)省PCB空間，但需要高效的功率器件確保溫例如，如今的汽車儀表盤中包含多種在較高環(huán)境溫度下運行的電子系統(tǒng)，所以溫度監(jiān)控和報告非常重要，對于電源管理組件尤其如此。系統(tǒng)控制器可以對超溫(OT)警報作出響應，并采取緩解措施來防止系統(tǒng)過熱，例如關閉不太重要的功能或限制處理器、顯示器和網(wǎng)絡通信。
從電源角度來看，即使是最基本的汽車儀表盤信息娛樂控制面板都需要多個不同電流的低壓電源電軌（輸出電平），總電流只有幾安培，高級控制臺需要的更多。傳統(tǒng)上，低壓電軌一般是采用許多微型負載點(POL)分立式功率調(diào)節(jié)器IC產(chǎn)生，或者，采用高度集成的大型電源管理集成電路(PMIC)產(chǎn)生。許多PMIC通常具有超過需求更多的電壓軌，因此需要更大尺寸的電路，而其中某些電軌的功率可能不足，無法滿足額外集成的目的。
另一個潛在設計挑戰(zhàn)是需求蠕變，或者產(chǎn)品規(guī)格的改變速度跟不上開發(fā)發(fā)展的速度，例如輸入和輸出電壓、輸出電流的變化。需求蠕變會嚴重影響集成電路和相關分立式組件的選擇。在最好的情況下，如果系統(tǒng)規(guī)格在電路板布局確定之后發(fā)生變化，則可以通過改換可調(diào)輸出轉(zhuǎn)換器上的電阻來調(diào)節(jié)電壓。在最糟糕的情況下，當更新之后的電流電平超過現(xiàn)有轉(zhuǎn)換器的開關電流額定值時，需要采用引腳排列不兼容的IC來更換多個IC。即使是最小的功能改變，都可能要求重新進行IC、電路板或系統(tǒng)級別的認證，出現(xiàn)成本增加、計劃延遲的情況。
解決這些問題的方法，是使用多輸出的功率IC。相比純粹的分立式、單輸出或雙輸出IC，PMIC提供的輸出更多，占用的空間更少，且需要的器件數(shù)也更少。這種電壓調(diào)節(jié)器是一個多輸出功率IC，提供可配置的多個中等功率電軌，且解決方案的尺寸小巧。理想情況下，這種IC可以配置成輸出各種電壓和電流，以適應開發(fā)過程中出現(xiàn)的電源需求變化，避免重新認證，并縮短產(chǎn)品的上市時間。此外，它可以在高于5 V的輸入電壓下高效工作，所以可以用于各種應用場合，例如12 V至18 V的電壓適配器。除此以外，需要的特性還包括：集成安全和監(jiān)控特性、寬溫度范圍運行，以及具備較高熱性能的創(chuàng)新封裝設計等。
靈活、可配置的20 V多輸出功率IC
ADI的Power by Linear™ LTC3376 是一款高度集成的通用電源管理解決方案，適用于需要多個低壓供電軌的系統(tǒng)。該器件可配置為可從最高20 V的輸入提供1至4個獨立的調(diào)節(jié)輸出，具備15種可行輸出電流配置，總輸出電流最高可達12 A；詳情參見圖1。這種靈活性使得LTC3376非常適合用于多種多通道應用，包括電信、工業(yè)、汽車和通信系統(tǒng)。
圖1. LTC3376簡化功能框圖。
LTC3376具備4個獨立的降壓穩(wěn)壓器通道、8個可配置的1.5 A功率級、靈活的時序和故障監(jiān)測功能，總可用輸出電流為12 A，峰值降壓效率為96%，在所有通道上的輸出電壓精度為±1%。每個通道可由獨立的3 V至20 V輸入電源供電，輸出電壓的范圍最低可至0.4 V。相鄰輸出可通過單個共享電感并聯(lián)排列，以簡化電路。DC-DC轉(zhuǎn)換器通過CFG0到CFG3引腳進行配置，由系統(tǒng)分配采用15種功率配置中的一種。無需采用外部BST電容，因為它們已被集成到封裝中。
LTC3376的開關穩(wěn)壓器支持兩種工作模式：突發(fā)工作模式(Burst Mode®)（默認的上電模式），可在輕載下提供更高效率，強制連續(xù)脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式，可在輕載下提供更低噪聲。開關穩(wěn)壓器從內(nèi)部補償，只需采用外部反饋電阻來設置輸出電壓。降壓轉(zhuǎn)換器提供輸入限流（軟啟動，在啟動期間限制浪涌電流）、差分輸出檢測和短路保護。該器件配有一個可編程、可同步的1 MHz至3 MHz振蕩器，默認采用2 MHz開關頻率。
在四個轉(zhuǎn)換器全部啟用的情況下，靜態(tài)電流僅為42 μA。其他特性包括：四個電源良好引腳，指明啟用的DC-DC轉(zhuǎn)換器是否在指定目標輸出的百分比內(nèi)；電流監(jiān)測器，從外部監(jiān)測每個降壓穩(wěn)壓器的負載；一個EXTVCC 引腳，用于改善效率；準確的RUN引腳閾值，以確定上電時序；一個裸片溫度監(jiān)測器輸出（通過TEMP引腳上的模擬電壓讀?。?，顯示外部裸片溫度；以及超溫功能，過載條件下裸片溫度較高時禁用降壓穩(wěn)壓器。
LTC3376采用緊湊的64引腳7 mm × 7 mm倒裝引腳球柵陣列(BGA)封裝。在–40°C至+125°C工作結溫范圍內(nèi)，指定采用E和I級。
靈活性和可配置性
LTC3376本身具備的靈活性使其可以采用15種不同的輸出配置：
● 單個電感，單個輸出12 A降壓，所有功率級在內(nèi)部組合，產(chǎn)生最大的電流輸出。
● 四種可能的雙降壓組合，兩個電感，總輸出電流總和為12 A。
● 五種三通道降壓組合，每種三個電感，總電流12 A。
● 五種四通道降壓配置，每種四個電感，總電流12 A（參見圖2）。
圖2. 典型的四通道輸出應用電路。
查看表1，了解15種可能的輸出配置的列表。設計期間要求發(fā)生變化時，這種靈活性可以實現(xiàn)輕松調(diào)整，從而繼續(xù)使用LTC3376，無需再對新IC實施認證。
表1. LTC3376：15種12 A總電流輸出配置示例
出色的熱設計和緊湊型解決方案
LTC3376通過在其緊湊的64引腳7 mm × 7 mm倒裝引腳球柵陣列封裝中組合采用多種封裝技術，提供一種緊湊、具備較高熱效率的解決方案。封裝的內(nèi)部結構使用銅柱代替鍵合線，內(nèi)部旁路電容和集成式襯底接地平面進一步提高EMI，降低對PCB布局的敏感度，從而簡化設計并降低性能風險（參見圖3了解詳情）。此外，裸片中的功率器件排列可以最大化熱性能，均衡分配功耗。
(a)
(b)
(c)
圖3. LTC3376倒裝封裝(a)引腳球柵陣列，(b)銅柱在裸片下方以及(c)集成旁路電容。
圖4所示為采用4 × 3 A、四通道降壓穩(wěn)壓器（總輸出電流12 A）的LTC3376完整解決方案。解決方案總尺寸緊湊小巧：有效面積僅為~1.5 cm × 2.9 cm ~ < 4.4cm2.
圖4. LTC3376演示板，展示提供5 V、3.3 V、2.5 V和1.8 V輸出的4 × 3 A降壓解決方案。
額外的系統(tǒng)監(jiān)測、安全和保護
除了可配置性外，LTC3376還具備多種安全特性，對由它供電的系統(tǒng)實施監(jiān)測和保護。每個降壓穩(wěn)壓器關聯(lián)的PGOOD引腳會報告功率故障情況。每個降壓穩(wěn)壓器都配有電流監(jiān)測器，該監(jiān)測器在IMON引腳上產(chǎn)生電流，電流的值與平均降壓負載電流的值成比例。
為了防止LTC3376和其周圍的組件遭受熱損壞，LTC3376集成了超溫功能。當LTC3376裸片的溫度達到165°C（典型值）時，所有開啟的降壓開關穩(wěn)壓器關閉，并保持關閉狀態(tài)，直至裸片溫度降低至155°C（典型溫度）。
LTC3376還包含一個溫度監(jiān)測器：可通過對模擬TEMP引腳電壓采樣來讀取裸片溫度。通過TEMP引腳電壓表示的溫度T的計算公式如下：
其中，VTEMP 是TEMP引腳上的電壓。
可配置的降壓穩(wěn)壓器系列
表2顯示整個可配置的四通道和八通道降壓穩(wěn)壓器系列，其中LTC3376是新產(chǎn)品。LTC3376具備最高的總輸出電流（最高12 A）和最高的輸入電壓容量（最高20 V）。LTC3376具備最高的總輸出電流（最高12 A）和最高的輸入電壓容量（最高20 V）。
觀看產(chǎn)品視頻，請訪問 analog.com/ltc3376。
表2. ADI的Power by Linear系列可配置四通道和八通道降壓穩(wěn)壓器
結論
在技術進步的推動下，汽車信息娛樂、消費電子手持設備、工業(yè)設備和醫(yī)療設備等應用的功能性內(nèi)容愈加豐富。在許多情況下，這些系統(tǒng)的輸入電壓都超過5 V，并由復雜的低電壓、大電流數(shù)字IC供電，這些IC本身都有獨特的功率需求。傳統(tǒng)上，電壓電軌和電流電平都由眾多分立式功率調(diào)節(jié)器IC支持，或由尺寸相對較大、過度集成的電源管理集成電路或PMIC支持。兩者都不具備靈活性，尺寸也不小巧。
采用單通道、四通道或八通道多輸出功率IC來替換這些方案是一個明智的選擇。LTC3376引腳可配置的PMIC就是新一代多輸出功率IC的示例。它是一個20 V輸入的數(shù)字可編程、高效率多輸出功率電源IC，包含四個同步降壓轉(zhuǎn)換器和八個內(nèi)部功率級（總IOUT 最高12 A），且輸出電壓低。由于可以采用多達15種不同的輸出電流配置，所以系統(tǒng)設計人員可以利用其靈活性來消除功率模塊系統(tǒng)變化和特性蠕變帶來的影響。無需過早實施價格高昂的電路板或系統(tǒng)級認證，縮短產(chǎn)品上市時間，降低開發(fā)成本并減少升級時間和成本。
推薦閱讀：
