發布日期：2022-04-17 點擊率：110
【導讀】系統設計師經常會需要幾種基礎架構變體，以能夠提供高、中、低端系統，且每種系統都有一套不同的功能。可根據系統需要增設、移除或調整大小的器件類型實例包括；內容可尋址存儲器 (CAM)、三元內容可尋址存儲器 (TCAM)、專用集成電路 (ASIC)、全定制硅芯片和現場可編程門陣列 (FPGA)。
電信和數據通信系統中常見的下一代路由器和交換機的復雜性和可擴展性不斷提高，這給電源制造帶來了壓力，因為人們需要提供智能靈活、可橫跨多種平臺擴展的高效率電源解決方案。
背景信息
CAM
CAM 通常被描述為與隨機存取存儲器 (RAM) 完全不同。如欲檢索 RAM 中的數據，操作系統必須提供數據所在的存儲器地址。存儲在 CAM 中的數據可通過執行對內容的查詢來訪問，存儲器檢索可以找到數據的地址，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發以太網幀的交換器都使用 CAM 進行查找。在采用 RAM 的系統中，操作系統將不得不記住存儲所有內容的地址，而當采用 CAM 時，操作系統在單次操作中就能找到它所需要的東西。
TCAM
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容。“三元” 這個術語指的是存儲器使用三個不同的輸入 (0、1 和 X ) 來存儲和查詢數據的能力。“X” 輸入常常被稱為 “隨意” 或 “通配符” 狀態，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，從而可非常快速地查表。TCAM 提高了查表、數據包分類和數據包轉發速度，但是 TCAM 需要的功率大于 CAM。CAM 和 TCAM 都需要非常準確的設定點，并有嚴格的電壓瞬態要求，這對電源系統設計師而言是非常具有挑戰性的。
ASIC
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) ，而不是面向通用應用。新式 ASIC 常常包含整個微處理器、內存塊 (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 (片內系統)，而且此類 ASIC 會需要幾百安培的電流和介于0.8V 至 1.2V 范圍內的內核工作電壓。就像使用 TCAM 和 CAM 時一樣，設定點準確度和瞬態響應對這類解決方案的總體性能至關重要。對電源設計師而言，解決方案尺寸和出色的電流控制也是關鍵要求。
FPGA
FPGA是另一種用在電信和數據通信系統中的器件，是一種可編程集成電路。FPGA 用在專用系統設計中，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，滿足其內核功率需求可能需要超過 100A 的電流。
可擴展性
分配給特定交換機或路由器多少 CAM 和 TCAM，取決于網絡公司怎樣定位其產品，即定位成低、中還是高端系統。越昂貴的系統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 轉換器能夠橫跨不同功率水平和輸出數量而擴展以支持多種平臺，就會非常便利了。
現有解決方案通常采用多相設計，但是僅提供一個或兩個輸出。如果有超過兩個大電流負載，用戶就需要使用多個控制器，這增大了解決方案尺寸、設計復雜性和成本。此外，有些現有電源解決方案需要專門的、與標準 DrMOS 或電源構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現可擴展性，又允許實現密集的多輸出負載點解決方案。
具可擴展性的智能 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 40A 電流。所有 4 相可以合并，以向內核電源提供 160A 電流，或者提供 4 個獨立的輸出，以支持系統電源以及 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、電源構件以及分立式 N 溝道 MOSFET 加上有關柵極驅動器一起使用，從而能夠實現靈活的設計配置。用兩個 IC 時，多達 8 個相位可以并聯并異相定時，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 12 個相位就能夠以 30 度相位差實現異相定時。
此外，并聯時，LTC7851/-1 的內部輔助電流均分環路在各個相位之間平分電流，從而能夠在穩定狀態和發生瞬態事件時，橫跨多個 IC 在相位之間實現準確的電流均分。這不僅減輕了一個通道攜帶太大負載電流的問題，還減輕了熱量設計負擔。該器件用 3V 至 5.5V 的 VCC 電源電壓運行，設計為用 3V 至 27V 的輸入電壓實現降壓轉換。它產生 1 至 4 個 0.6V 至 5V 的獨立輸出電壓。該器件的電壓模式控制架構允許 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。輸出電流通過監視輸出電感器 (DCR) 兩端的電壓降來檢測，以實現最高效率，或者通過使用一個低阻值的檢測電阻器來檢測。內置差分放大器面向所有輸出提供真正的遠端輸出電壓檢測，以實現高準確度調節。
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、具內部電流檢測的功率鏈路應用。每個相位的其他特點包括電流監視、可調電流限制、可編程軟啟動或跟蹤以及單獨的電源良好信號。該器件在 –20°C 至 +85°C 的工作溫度范圍內保持 ±0.75% 的輸出電壓準確度，采用 58 引線 5mm x 9mm QFN 封裝。另外還應該認識到，就滿足如今的定制芯片和 ASIC 的瞬態響應要求而言，一個良好設計的準確基準可以極大地減少所需大容量輸出電容器的數量。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 160A。可以實現高達 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
當多個 LTC7851/-1 通道并聯以驅動一個共用負載時，準確的輸出電流均分是實現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，這就有可能導致更大的開關 RDS(ON)、更低的效率和更大的 RMS 紋波。在多相設計中，甚至很少量的失配也可能極大地降低總體可用功率。
就單輸出多相應用而言，LTC7851/-1 包含一個輔助電流均分環路，在該環路中，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)，該電容器存儲對應于主控制器瞬態平均電流的電壓。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行積分。在每個相位之內，按比例求取積分器輸出和系統誤差放大器電壓 (COMP) 之和，從而可調節該相位的占空比以均分所有電流。當多個 IC 以菊花鏈方式連接時，所有 IAVG 引腳連到一起，從而導致電流出現幾個百分點的失衡。憑借 LTC7851 嚴格的電流均分規格，設計師將能夠從如今的 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載電流的變化，以及在整個負載范圍內這些相位之間怎樣良好均衡。
圖 3：單一 0.95V/160A 輸出時 4 個相位的電流均衡
瞬態響應和電壓前饋補償
LTC7851 的內置誤差放大器是真正的運算放大器，具大帶寬、高 DC 增益、低失調和低輸出阻抗。結合使用高開關頻率和低電感值電感器時，其帶寬允許對補償網絡進行優化，以實現很高的控制環路交叉頻率和出色的階躍負載瞬態響應。此外，LTC7851 采用一種前饋校正方案實現了出色的電壓瞬態響應性能，該方案可即時調整占空比以補償輸入電壓的變化，從而顯著地降低了輸出過沖和下沖。這個電路還增加了一個優勢，即能夠使 DC 環路增益不受輸入電壓影響。圖 4 顯示，在 40A 負載階躍、12V 輸入電壓時，僅產生 72mV 峰至峰值輸出電壓干擾。
圖 4：圖 1 所示電路在 40A 階躍負載時的瞬態響應
多相運行
多達 12 個相位能夠以菊花鏈方式連接，且相互之間同時異相運行。多相電源降低了輸入和輸出電容器的紋波電流，與單相位解決方案相比，這可顯著降低 EMI 和濾波要求。RMS 輸入紋波電流除以所用相位總數，有效紋波頻率乘以所用相位總數。輸出紋波幅度也降低了，降低數值等于所用相位總數。圖 5 顯示，連接多個器件以實現 3、4、8 或 12 相位運行非常容易。
圖 5：LTC7851 多相配置
LTC7851/-1 用于單輸出、多相應用時，必須通過將其 FB 引腳連至 VCC，禁止從屬控制器的誤差放大器。所有電流限制都應該僅用一個連至 SGND 的電阻器設定到相同的值。CLKOUT 信號可以連至后一個 LTC7851/-1 級的 CLKIN 引腳，以使整個系統的頻率和相位保持一致。
結論
隨著路由器和交換機設計變得越來越復雜，電源系統設計師現在能夠用可橫跨多個平臺擴展的單一 DC/DC 控制器，建立功率水平不同的多個設計。使用 LTC7851/-1 時，能夠選擇 1 到 12 個相位，每相電流高達 40A，在功率鏈路中可使用 DrMOS 或電源構件，這使 LTC7851/-1 能夠為要求最苛刻的通信和網絡產品提供一種高度靈活的智能解決方案。
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