Dva výstupy, šest stupňů a flexibilní zdroj snižující z 12 V na 1 V / 200 A s účinností 90 %

Obvody ASIC, hradlová pole FPGA a také procesory používané ve špičkových komunikačních systémech, serverech nebo výpočetní technice vyžadují pro svá výpočetní jádra výkonné napájecí zdroje, které dokážou přímo ze vstupních 12 V zajistit napětí o velikosti 1,0 V. V některých případech je požadováno ještě nižší napětí, a přitom musí tyto obvody pokrýt proudové odběry dosahující v maximech i více než 200 A. Pokud jde o účinnost a dosahované parametry, musí takové zdroje splňovat přísná kritéria, mnohdy na velmi malé zástavbové ploše. Šestistupňový snižující (step-down) kontrolér LTC7852 / LTC7852-1 [1] s duálním výstupem v takovém případě zajistí odpovídající flexibilitu řešení.

Obvody LTC7852 / LTC7852-1 jsou navržené s ohledem na vysokou míru účinnosti. Místo toho, aby používaly interní drivery, každý stupeň LTC7852 generuje PWM výstup, který následně řídí výkonové bloky – DrMOS či externí drivery ve spojení s tranzistory MOSFET. Struktury DrMOS zde ve výsledku zaručují menší zástavbovou velikost a vysokou účinnost.

V rámci jednoho pouzdra totiž integrují jak drivery, tak i výkonové prvky. V typickém zapojení budou pracovat se vstupním napětím 12 V. Za předpokladu použití externích driverů a také diskrétních MOSFETů je zase možné využít dobrých teplotních vlastností MOSFETů a využívat přitom vyšších vstupních napětí. Pomocí metody čtyřbodového měření, kdy sériový odpor cívky je v řádech menších než 1 mΩ, pak obvod LTC7852 umožňuje přesně vyhodnotit proudy na základě sériového odporu induktoru, který v praxi dosahuje velmi nízkých hodnot (0,2 mΩ − řádově). Ztráty způsobené vedením jsou tak v důsledku výrazně potlačeny. Obvod LTC7852-1 je dále navržen speciálně pro DrMOS tranzistory, které jsou vybaveny integrovanými vstupy pro snímání proudu.

Každý výstup je snímán rozdílově v rozsahu 0,5 V až 2,0 V a s celkovou přesností regulace ±0,5 % (omezení na 2,0 V se vztahuje pouze k obvodu LTC7852). Vzhledem k tomu, že jsou obvody LTC7852 a LTC7852-1 napájeny z vnějšího zdroje 5 V, a ne ze samotného vstupního napětí, není vstupní rozsah převodníku nikterak limitován. Spínací kmitočet se pohybuje v rozsahu 250 kHz až 1,25 MHz a umožňuje docílit vysokých konverzních poměrů. Konfigurace fází, jako jsou 3 + 3, 4 + 2 a 5 + 1, mohou být pro dva výstupy zvoleny za pomoci PHCFG pinu. V případě varianty 3 + 3 pak lze dva výstupy zapojit paralelně a díky šestistupňovému měniči tak dosáhnout na maximální zatěžovací proudy 240 A. Nasazení jednoho šestistupňového kontroléru místo dvou třístupňových, resp. tří dvoustupňových, výraznou měrou zjednoduší návrh, včetně jeho rozvržení na desce plošného spoje. S pouhými dvěma kontroléry se navíc lze dostat až na 12 fází.

Obvod LTC7852 je k dispozici v pouzdrech typu GQFN o rozměrech 5 × 6 mm a LTC7852-1 pak v QFN o velikosti 4 × 5 mm.

Efektivní napájení jádra se šesti stupni

Na obrázku 1 vidíme zapojení šestistupňového měniče s LTC7852 a výstupem 1,0 V / 200 A. Pracuje s 12V vstupem a na spínací frekvenci 400 kHz. Výkonový stupeň každé dílčí části se skládá z tranzistoru DrMOS o velikosti 5 × 5 mm a feromagnetické indukčnosti 0,25 μH s typickým DCR 0,325 mΩ. Výsledná účinnost při plném zatížení činí 90,0 % (obr. 2). Teplota čipu dosahuje při plné zátěži a průtoku vzduchu s 200 LFM za pokojových podmínek +78 °C (obr. 3). Díky přesnému sdílení proudu může být navíc teplotní rozdíl mezi indukčnostmi menší než 6 °C.

Snímání s DCR pod 1 mΩ

Ke zlepšení odstupu signál/šum u signálu pro snímání proudu využívá LTC7852 chráněné architektury v režimu špičkového proudu pro měření s odporem DCR menším než 1 mΩ. Systém přitom počítá s kaskádním zapojením dvou RC filtrů řazených mezi indukčností a vývody SNSP, SNSN či SNSAVG. Obvod pak zesiluje DC signál a za účelem rekonstrukce jej sčítá s AC signálem. Výsledný signál se stává pětinásobkem původního, což umožňuje stabilní funkci, a to s hodnotami DCR o velikosti jen 0,2 mΩ.

Sledování výstupního proudu a nadproudová ochrana

Výstup, který bude s ohledem na příslušné kanály úměrný jejich zatěžovacím proudům, zajišťují v případě obvodů LTC7852 vývody IMON1 a IMON2 vztažené k pinu V1P5. Takový signál pak lze využít systémem pro monitorování napájecího zdroje, resp. A/D převodníkem a mikrokontrolérem pro detekci zatížení.

Cycle-by-cycle proudové omezení je intrinzickou vlastností a benefitem architektur pracujících v proudovém módu. Další ochranu pak zajišťuje proudová limitace spojená s módem hiccup. Bude-li nadproudový stav přetrvávat po více než 32 cyklů, přestává měnič spínat na dobu definovanou kondenzátorem, který je využíván pro měkký start. Na konci tohoto intervalu se pak funkce obvodu znovu obnoví pomocí měkkého startu. Jak vyplývá z obr. 4, měnič v případě chyby spíná po relativně krátkou dobu. V praxi to pak bude znamenat daleko menší teplotní namáhání tranzistorů MOSFET a také cívky.

Závěr

Integrované obvody LTC7852 / LTC7852-1 vynikají jako špičkové, flexibilní snižující kontroléry se šesti stupni regulace a dvěma výstupy, které se uplatní u zdrojů napájení s vysokou účinností a stejně tak i spolehlivostí. Využití přitom najdou ve spojení jak s výkonovými bloky DrMOS, tak i v zapojení s vnějšími drivery a diskrétními tranzistory MOSFET. Vývojářům nabídnou snímání s DCR pod 1 mΩ (LTC7852), volitelné konfigurace z hlediska jednotlivých stupňů, napěťovou referenci 0,5 V s celkovou přesností regulace ±0,5 %, možnost rozdílového snímání výstupu, spínací kmitočet v rozsahu 250 kHz až 1,25 MHz nebo též proudové omezení s režimem hiccup.