凌力爾特公司(現(xiàn)隸屬 Analog Devices 公司)

高級產(chǎn)品市場工程師

Bruce Haug

背景信息

電信和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中常見的下一代路由器和交換機(jī)的復(fù)雜性和可擴(kuò)展性不斷提高，這給電源制造帶來了壓力，因?yàn)槿藗冃枰峁┲悄莒`活、可橫跨多種平臺擴(kuò)展的高效率電源解決方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師經(jīng)常會需要幾種基礎(chǔ)架構(gòu)變體，以能夠提供高、中、低端系統(tǒng)，且每種系統(tǒng)都有一套不同的功能?？筛鶕?jù)系統(tǒng)需要增設(shè)、移除或調(diào)整大小的器件類型實(shí)例包括；內(nèi)容可尋址存儲器 (CAM)、三元內(nèi)容可尋址存儲器 (TCAM)、專用集成電路 (ASIC)、全定制硅芯片和現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)。

CAM 通常被描述為與隨機(jī)存取存儲器 (RAM) 完全不同。如欲檢索 RAM 中的數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)必須提供數(shù)據(jù)所在的存儲器地址。存儲在 CAM 中的數(shù)據(jù)可通過執(zhí)行對內(nèi)容的查詢來訪問，存儲器檢索可以找到數(shù)據(jù)的地址，而且速度比 RAM 快得多。可以確定的是，任何能夠以千兆位線速率轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)幀的交換器都使用 CAM 進(jìn)行查找。在采用 RAM 的系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)將不得不記住存儲所有內(nèi)容的地址，而當(dāng)采用 CAM 時，操作系統(tǒng)在單次操作中就能找到它所需要的東西。

TCAM 是一種特殊類型的高速存儲器，它在單個時鐘周期中搜索其全部內(nèi)容。“三元” 這個術(shù)語指的是存儲器使用三個不同的輸入 (0、1 和 X ) 來存儲和查詢數(shù)據(jù)的能力。“X” 輸入常常被稱為 “隨意” 或 “通配符”  狀態(tài)，它使得 TCAM 能夠完成基于圖形匹配的更廣泛搜索，這與二元 CAM 截然相反，后者執(zhí)行的是僅采用 “0” 和 “1” 的精確匹配搜索。路由器可在這類 TCAM 中存儲其全部路由表，從而可非?？焖俚夭楸怼CAM 提高了查表、數(shù)據(jù)包分類和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)速度，但是 TCAM 需要的功率大于 CAM。CAM 和 TCAM 都需要非常準(zhǔn)確的設(shè)定點(diǎn)，并有嚴(yán)格的電壓瞬態(tài)要求，這對電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師而言是非常具有挑戰(zhàn)性的。

ASIC 是另一種可在路由器和交換器中使用的器件，并且是一種針對某種特定用途定制的集成電路 (IC) ，而不是面向通用應(yīng)用。新式 ASIC 常常包含整個微處理器、內(nèi)存塊 (包括 ROM、RAM、EEPROM、閃存器) 和其他大型單元式部件。這樣的一個 ASIC 通常被稱為 SoC (片內(nèi)系統(tǒng))，而且此類 ASIC 會需要幾百安培的電流和介于0.8V 至 1.2V 范圍內(nèi)的內(nèi)核工作電壓。就像使用 TCAM 和 CAM 時一樣，設(shè)定點(diǎn)準(zhǔn)確度和瞬態(tài)響應(yīng)對這類解決方案的總體性能至關(guān)重要。對電源設(shè)計(jì)師而言，解決方案尺寸和出色的電流控制也是關(guān)鍵要求。

FPGA 是另一種用在電信和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的器件，是一種可編程集成電路。FPGA 用在專用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，允許用戶定制微處理器以滿足各自的需求。這類器件有幾個電壓輸入，滿足其內(nèi)核功率需求可能需要超過 100A 的電流。

可擴(kuò)展性

分配給特定交換機(jī)或路由器多少 CAM 和 TCAM，取決于網(wǎng)絡(luò)公司怎樣定位其產(chǎn)品，即定位成低、中還是高端系統(tǒng)。越昂貴的系統(tǒng)通常就會有越充足的 CAM 和 TCAM，以支持最高速度、最快查表和最大吞吐量。然而，有些客戶不想購買高端路由器，除非這些客戶能夠證明，多出的購買費(fèi)用是合理的。因此，需要提供具不同功能水平和價格的多種平臺，所以，如果有一種 DC/DC 轉(zhuǎn)換器能夠橫跨不同功率水平和輸出數(shù)量而擴(kuò)展以支持多種平臺，就會非常便利了。

現(xiàn)有解決方案通常采用多相設(shè)計(jì)，但是僅提供一個或兩個輸出。如果有超過兩個大電流負(fù)載，用戶就需要使用多個控制器，這增大了解決方案尺寸、設(shè)計(jì)復(fù)雜性和成本。此外，有些現(xiàn)有電源解決方案需要專門的、與標(biāo)準(zhǔn) DrMOS 或電源構(gòu)件器件不兼容的功率鏈路器件。凌力爾特公司提供的一種新的 DC/DC 控制器解決了這些問題，既允許橫跨需要兩個大電流輸出的多種平臺實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性，又允許實(shí)現(xiàn)密集的多輸出負(fù)載點(diǎn)解決方案。

具可擴(kuò)展性的智能 IC 解決方案

凌力爾特的 LTC7851/-1 是一款多相同步電壓模式降壓型控制器，使用戶能夠靈活地選擇一個、兩個、3 個或 4 個輸出，并可視外部組件選擇的不同而不同，每輸出提供高達(dá) 40A 電流。所有 4 相可以合并，以向內(nèi)核電源提供 160A 電流，或者提供 4 個獨(dú)立的輸出，以支持系統(tǒng)電源以及 ASIC 和各種不同的 I/O 電源軌。在功率鏈路器件方面，LTC7851/-1 可以與 DrMOS、電源構(gòu)件以及分立式 N 溝道 MOSFET 加上有關(guān)柵極驅(qū)動器一起使用，從而能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的設(shè)計(jì)配置。用兩個 IC 時，多達(dá) 8 個相位可以并聯(lián)并異相定時，這對于超過 260A 的非常大的電流需求而言，可以最大限度降低輸入和輸出濾波要求。用 3 個 IC 時，使用一個外部時鐘芯片，例如 LTC6902，多達(dá) 12 個相位就能夠以 30 度相位差實(shí)現(xiàn)異相定時。

此外，并聯(lián)時，LTC7851/-1 的內(nèi)部輔助電流均分環(huán)路在各個相位之間平分電流，從而能夠在穩(wěn)定狀態(tài)和發(fā)生瞬態(tài)事件時，橫跨多個 IC 在相位之間實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流均分。這不僅減輕了一個通道攜帶太大負(fù)載電流的問題，還減輕了熱量設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。該器件用 3V 至 5.5V 的 VCC 電源電壓運(yùn)行，設(shè)計(jì)為用 3V 至 27V 的輸入電壓實(shí)現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換。它產(chǎn)生 1 至 4 個 0.6V 至 5V 的獨(dú)立輸出電壓。該器件的電壓模式控制架構(gòu)允許 250kHz 至 2.25MHz 的可選固定工作頻率，或者可以同步至一個相同范圍的外部時鐘。輸出電流通過監(jiān)視輸出電感器 (DCR) 兩端的電壓降來檢測，以實(shí)現(xiàn)最高效率，或者通過使用一個低阻值的檢測電阻器來檢測。內(nèi)置差分放大器面向所有輸出提供真正的遠(yuǎn)端輸出電壓檢測，以實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度調(diào)節(jié)。

LTC7851-1 類似于 LTC7851，但電流檢測放大器增益更低，非常適合使用 DrMOS、具內(nèi)部電流檢測的功率鏈路應(yīng)用。每個相位的其他特點(diǎn)包括電流監(jiān)視、可調(diào)電流限制、可編程軟啟動或跟蹤以及單獨(dú)的電源良好信號。該器件在 –20°C 至 +85°C 的工作溫度范圍內(nèi)保持 ±0.75% 的輸出電壓準(zhǔn)確度，采用 58 引線 5mm x 9mm QFN 封裝。另外還應(yīng)該認(rèn)識到，就滿足如今的定制芯片和 ASIC 的瞬態(tài)響應(yīng)要求而言，一個良好設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確基準(zhǔn)可以極大地減少所需大容量輸出電容器的數(shù)量。以下圖 1 顯示了一個簡化的原理圖，該電路用 DrMOS 作為功率鏈路器件，將 10V 至 14V 輸入轉(zhuǎn)換成 0.95V/160A 輸出。

圖 1：簡化的 LTC7851 原理圖，提供單個 0.95V/160A 輸出

效率

圖 2 中的 LTC7851 效率曲線可作為圖 1 原理電路的效率曲線示例，這時 12V 輸入電壓降壓至 0.95V，輸出電流高達(dá) 160A?？梢詫?shí)現(xiàn)高達(dá) 94% 的效率。

圖 2：LTC7851 效率曲線，12V 至 0.95V 單輸出，160A 電流

電流均衡

當(dāng)多個 LTC7851/-1 通道并聯(lián)以驅(qū)動一個共用負(fù)載時，準(zhǔn)確的輸出電流均分是實(shí)現(xiàn)最佳性能和效率所必不可少的。否則，如果一級提供的電流大于另一級，那么兩級之間的溫度就會不同，這就有可能導(dǎo)致更大的開關(guān) RDS(ON)、更低的效率和更大的 RMS 紋波。在多相設(shè)計(jì)中，甚至很少量的失配也可能極大地降低總體可用功率。

就單輸出多相應(yīng)用而言，LTC7851/-1 包含一個輔助電流均分環(huán)路，在該環(huán)路中，每個周期都對電感器電流采樣。主控制器的電流檢測放大器輸出在 IAVG 引腳上進(jìn)行平均。從 IAVG 到 GND 連接一個小型電容器 (典型值為 100pF)，該電容器存儲對應(yīng)于主控制器瞬態(tài)平均電流的電壓。主控制器相位和從屬控制器相位的 IAVG 引腳連到一起，每個從屬控制器相位對其電流與主控制器電流之差進(jìn)行積分。在每個相位之內(nèi)，按比例求取積分器輸出和系統(tǒng)誤差放大器電壓 (COMP) 之和，從而可調(diào)節(jié)該相位的占空比以均分所有電流。當(dāng)多個 IC 以菊花鏈方式連接時，所有 IAVG 引腳連到一起，從而導(dǎo)致電流出現(xiàn)幾個百分點(diǎn)的失衡。憑借 LTC7851 嚴(yán)格的電流均分規(guī)格，設(shè)計(jì)師將能夠從如今的 DrMOS 器件中抽取最大輸出電流。

以下圖 3 顯示了 4 個相位中每一個的電感器電流檢測電壓隨負(fù)載電流的變化，以及在整個負(fù)載范圍內(nèi)這些相位之間怎樣良好均衡。