利用負(fù)載點調(diào)節(jié)功能提高機(jī)頂盒設(shè)計的性能

　　有線電視和衛(wèi)星廣播內(nèi)容提供商正在不斷向激烈競爭的市場推出新業(yè)務(wù)。這些新業(yè)務(wù)包括互聯(lián)網(wǎng)接入、視頻點播、支持 DVD/CD 播放器和硬盤驅(qū)動器等，這正在使簡單的機(jī)頂盒(STB)逐步發(fā)展成為功能強(qiáng)大的家庭網(wǎng)關(guān)。這些先進(jìn)的機(jī)頂盒在家中形成了一個局域網(wǎng)(LAN)。

　　因此，機(jī)頂盒一般有以太網(wǎng)或 火線端口，或采用其它通信方式，甚至可能是藍(lán)牙。這些更加復(fù)雜的機(jī)頂盒反過來又需要消耗更多功率。隨著這些系統(tǒng)消耗功率的提高，系統(tǒng)設(shè)計師對于溫度上升、產(chǎn)品上市時間、效率、監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)、成本、上電順序和功率因數(shù)校正(PFC)等問題也越來越擔(dān)憂了。

　　消除這些擔(dān)憂的一種方法是將電源架構(gòu)從傳統(tǒng)的多路輸出反激式電源改為較高性能、更加靈活并具有負(fù)載點(POL)穩(wěn)壓器的分布式電源架構(gòu)。目前大多數(shù)機(jī)頂盒采用離線式多路輸出反激式電源架構(gòu)。這些電源提供 30W 功率，轉(zhuǎn)換效率最高為 65%。先進(jìn)的機(jī)頂盒電源采用單一分布式直流電壓(如12V)提供高達(dá) 65W 功率，并采用下游負(fù)載點穩(wěn)壓器，整體轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 80%。

　　內(nèi)容提供商提供的服務(wù)決定了機(jī)頂盒的特點，如處理器功耗、調(diào)制解調(diào)器速度、傳輸介質(zhì)、是否包括 DVD 播放器或硬盤驅(qū)動器以及 I/O 端口數(shù)量。機(jī)頂盒的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)是基于外部設(shè)備計算機(jī)接口(PCI)總線，從表面看與筆記本式 PC 類似。不過，盡管 PC 架構(gòu)全世界相同，但是不同地區(qū)甚至不同制造商的機(jī)頂盒架構(gòu)變化卻很大。當(dāng)然，由于消費(fèi)者的需求容易改變，因此隨著服務(wù)的不斷變化，機(jī)頂盒配置也在不斷變化之中。功能決定對電源的要求，而且唯一明顯的趨勢是系統(tǒng)功耗在提高。服務(wù)提供商之間的競爭和地區(qū)差別意味著，讓機(jī)頂盒按時上市有相當(dāng)大的壓力。由于電源設(shè)計導(dǎo)致延遲交貨是無法容忍的，因為這可能丟失市場份額。

　　機(jī)頂盒電源要求在設(shè)計周期后期發(fā)生變化是常見的。然而，最不希望發(fā)生的事情就是由于電源而推遲機(jī)頂盒的開發(fā)進(jìn)度，但是如果需要采用離線式多路輸出反激式電源，就有可能發(fā)生這種情況。設(shè)計這樣一個電源并在安全性和 EMI 性能方面獲得監(jiān)管當(dāng)局批準(zhǔn)可能需要 6 到 9 個月時間，甚至長達(dá)一年。采用多路輸出反激式設(shè)計，后期變化可能導(dǎo)致必須長時間反復(fù)設(shè)計磁性元件。因此，在某些情況下，絕望的設(shè)計師會增加二極管壓降，以適應(yīng)最后出現(xiàn)的輸出電壓或電流需求的變化。

　　標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)售交流輸入(90V 至 264V 交流)單輸出電源的優(yōu)點是采用安全部門和 EMI 監(jiān)管當(dāng)局批準(zhǔn)的電源。這些電源用 3.3V 至 48V 的單一輸出電壓實現(xiàn)高達(dá) 90% 的電源轉(zhuǎn)換效率。另外，標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)售單輸出電源價格不貴，提供幾種尺寸，大批量生產(chǎn)，適合很多應(yīng)用。使用這種電源可以將開發(fā)周期縮短 6 個月。即使功率最大值提高也沒關(guān)系，因為考慮到可能需要更高功率，設(shè)計師從開始伊始就可以計劃出 20% 至 30% 的冗余量，這不會提高很多成本或占用很多電路板面積。

　　調(diào)節(jié)功能提高機(jī)頂盒設(shè)計的性能" />

　　圖1：在 7V至24V電源范圍內(nèi)工作的雙路 3.3V/2.5V輸出LTC3850應(yīng)用原理圖。

　　功率因數(shù)校正是影響機(jī)頂盒電源的另一個問題。IEC/EN61000-3-2 規(guī)范對輸入功率大于等于75W的供電系統(tǒng)有諧波電流幅射的限制。實際上，輸入功率超過 75W 時，這個規(guī)范要求額外的電路。效率為 65% 的多路輸出反激式電源可在不需要額外功率因數(shù)校正電路時提供 49W 的最大輸出功率。效率達(dá) 90%的分布式電源與效率為 90% 至 95% 的下游負(fù)載點穩(wěn)壓器結(jié)合起來無需功率因數(shù)校正電路就可提供 60W 至 64W 功率。較高效率的明顯好處是減少熱量、減少通風(fēng)要求并延長平均故障間隔(MTBF)時間。

　　凌力爾特公司提供了完整的高效率同步負(fù)載點 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器系列產(chǎn)品，包括模塊、單片電路和控制器。LTC3850 是最近推出的雙輸出負(fù)載點 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器控制器，能以 95% 的效率將 12V 轉(zhuǎn)換成 5V/5A，或以 92% 的效率將 12V 轉(zhuǎn)換成 3.3V/5A以及以 91% 的效率將 12V 轉(zhuǎn)換成 2.5V/5A。

　　LTC3850 是一個雙路輸出同步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器控制器，可以驅(qū)動 所有N 溝道功率MOSFET 級電路。其 4V 至 24V 的輸入范圍適用于多種應(yīng)用，其中包括大多數(shù)中間總線電壓應(yīng)用。強(qiáng)大的片上驅(qū)動器允許使用大功率外部 N 溝道 MOSFET，可以輸出0.8V 至 5.5V的電壓，同時提供高達(dá) 20A 的輸出電流。

　　雙路輸出、具有DCR檢測功能的5A穩(wěn)壓器

　　圖1所示是一種基于 LTC3850 的電路，該電路在 7V 至 24V 的輸入范圍內(nèi)工作，開關(guān)頻率為 530kHz，無需電流檢測電阻，提供 2.5V/5A 和 3.3V/5A 的獨(dú)立輸出。通過將電感器的直流電阻用作電流檢測單元，該應(yīng)用電路在滿負(fù)載電流時消耗可能最低的功率。效率高于 90%，效率曲線如圖2所示。

　　圖2：圖1電路的效率曲線。

　　跟蹤的益處

　　跟蹤提供了向上或向下調(diào)整輸出電源的可預(yù)測方法。跟蹤過程中一般會保持反饋電壓低于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓或 TRACK 引腳上的電壓。LTC3850 更進(jìn)一步，在一個引腳中組合了每個通道的跟蹤和軟啟動功能(TK/SS 引腳)，并按照 TK/SS 引腳的狀態(tài)定制開關(guān)工作模式。圖 3 顯示了一致性跟蹤和比例性跟蹤曲線，無論那一種都可以用 LTC3850 配置。

　　圖 3：用 LTC3850 實現(xiàn)的兩種不同輸出電壓跟蹤模式。

　　快速瞬態(tài)響應(yīng)

　　任何穩(wěn)壓器反饋環(huán)路的穩(wěn)定性都可以通過查看負(fù)載電流瞬態(tài)響應(yīng)來檢查。開關(guān)穩(wěn)壓器需要幾個周期來響應(yīng)輸出負(fù)載電流的突然變化或輸入電壓的變化。當(dāng)出現(xiàn)階躍負(fù)載時，VOUT 的變化量等于 ?ILOAD乘以輸出電容器的 ESR，其中 ESR 是等效串聯(lián)電阻。?ILOAD 還開始給 COUT 充電或放電，產(chǎn)生反饋誤差信號，強(qiáng)制穩(wěn)壓器適應(yīng)電流變化并讓 VOUT 返回穩(wěn)定狀態(tài)值。在這個恢復(fù)過程中，可以監(jiān)視 VOUT 是否有過度過沖或振鈴，從而指示是否有穩(wěn)定性問題。圖 4 顯示了圖 1 中 LTC3850 電路的瞬態(tài)響應(yīng)?；謴?fù)過程被很好地衰減了，對 50% 的負(fù)載變化穩(wěn)定時間不到 50us。輸出電壓相對標(biāo)稱值的最大偏離可以通過增加輸出電容來減小。

　　圖 4：對應(yīng)圖3電路的LTC3850瞬態(tài)響應(yīng)。

　　輕負(fù)載工作

　　在重負(fù)載時，LTC3850 以恒定頻率 PWM 模式工作。在輕負(fù)載時，它可以在以下 3 種模式之間切換：連續(xù)、脈沖跳躍或突發(fā)模式(Burst Mode?)。突發(fā)模式工作在一個周期至幾個周期的脈沖串之間切換，輸出電容器在休眠間隔期間提供能量。這樣就可實現(xiàn)可能最高的輕負(fù)載效率。強(qiáng)制連續(xù)模式從無負(fù)載到滿負(fù)載一直處于 PWM 模式，可實現(xiàn)可能最低的輸出電壓紋波。脈沖跳躍模式以恒定頻率工作，但總是在允許電感器電流反向之前斷開同步開關(guān)。與突發(fā)模式工作相比，這種方法可以減少輕負(fù)載時的紋波，而與強(qiáng)制連續(xù)模式相比，則提高輕負(fù)載時的效率。

　　每個通道還具有單獨(dú)的 RUN 引腳，該引腳具有精確的 1.2V 接通門限。當(dāng) LTC3850 自己的電流源用來給軟啟動電容器充電時，讓一個通道的 RUN 引腳電平變高，軟啟動電容器就會在大約 80us 之內(nèi)開始充電。作為一種可選擇的方案， 當(dāng)TK/SS 持續(xù)低電平時任一 RUN 引腳都可以保持高電平，從而保持內(nèi)部 5V 穩(wěn)壓器作為待機(jī)電源。這一功能可用來為喚醒電路供電，而喚醒電路控制了兩個 TK/SS 引腳的狀態(tài)。

　　固定工作頻率/最短接通時間

　　LTC3850 的兩個通道不同相工作，因此降低了輸入 RMS 電流紋波并降低了輸入電容需求。開關(guān)頻率可以在 250kHz 至 780kHz 的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，或者用 FREQ/PLLFLTR 引腳上的電壓設(shè)置，也可以用鎖相環(huán)同步至輸入 MODE/PLLIN 引腳的外部時鐘。在高頻工作時，由于其頂部短開關(guān)的接通時間短，因此 LTC3850 能以低占空比正常工作。例如，一個以 700kHz 頻率工作的 15V 至 1.1V 轉(zhuǎn)換器要求最短接通時間小于

　　1.1V_ __ = 104ns

　　(15V)?(700kHz)

　　LTC3850 可以在僅為 90ns 的時間里使其強(qiáng)大的頂端柵極驅(qū)動器工作一個周期，從而使這種低占空比應(yīng)用成為現(xiàn)實。

　　檢測電流的兩種方法

　　LTC3850 具有一個完整的差分比較器，可用于檢測通過電感器的電流。SENSE+ 和 SENSE- 引腳可以連接到與電感器串聯(lián)的電流檢測電阻，或連接到一個與輸出電感器并聯(lián)的 RC 網(wǎng)絡(luò)，這樣就可跨電感器直流電阻(DCR 檢測)實現(xiàn)高能效檢測。DCR 檢測可以防止檢測電阻引起功率損耗，但是有 5% 至 10% 的典型嵌入誤差，這對大多數(shù)應(yīng)用來說是可以接受的。LTC3850 可以使用兩種方法中的任一種以實現(xiàn)設(shè)計靈活性，而且具有 3 個可通過引腳選擇的限流門限。

　　輸出短路時，LTC3850 逐個周期地限制峰值電流，以此保護(hù)輸入電源和電源組件。達(dá)到電感器峰值電流檢測門限 VSENSE(MAX)/RSENSE 的 130% 時，主 MOSFET 就會斷開。VSENSE(MAX) 可以設(shè)置為 30mV、50mV 或 75mV，以實現(xiàn)多種輸出電流值。占空比對限流的影響非常小。就負(fù)載電流高于最大編程值但低于硬件短路電流值的情況而言，LTC3850 可以平滑地縮短頂端 MOSFET 的接通時間，降低輸出電壓。LTC3850 還保護(hù)自己免被欠壓輸入和過壓輸出電壓損壞。RUN 引腳可以 VIN 引腳上的分壓器為基準(zhǔn)，以便用它們精確的門限值控制輸出狀態(tài)。如果輸出電壓比目標(biāo)值高 7.5%，那么底部 MOSFET 可以保持接通直到恢復(fù)調(diào)節(jié)。如果允許 LTC3850 以接近輸出電壓編程值的輸入電壓工作，那么其占空比可以高達(dá) 97%。

　　LTC3850 采用小型 4mm x 4mm QFN-28(0.4mm 孔距)、4mm x 5mm QFN-28(0.5mm 孔距)或 28 引腳窄型 SSOP 封裝，功能十分豐富。該器件以高效率工作，可以采用或不采用 DCR 電流檢測。跟蹤、非常快的響應(yīng)時間、強(qiáng)大的片上 MOSFET 柵極驅(qū)動器、兩相工作、外部同步和低成本允許 LTC3850 用于機(jī)頂盒和很多其它應(yīng)用。

　　負(fù)載點調(diào)節(jié)比傳統(tǒng)多路輸出離線式定制反激式電源效率高，可以提高機(jī)頂盒設(shè)計的性能。負(fù)載點調(diào)節(jié)無需額外的功率因數(shù)校正電路就可實現(xiàn)較高的輸出功率，并通過使用監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)的現(xiàn)售單輸出電源和高效率負(fù)載點下游穩(wěn)壓器加快產(chǎn)品上市時間。LTC3850 功能豐富、效率高且封裝尺寸小，為機(jī)頂盒電源設(shè)計師提供了一種理想的解決方案。