芯耀
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在電子系統(tǒng)中，電源管理器件擔(dān)負(fù)著電能的變換、分配、監(jiān)測(cè)等工作，為系統(tǒng)中不同的用電組件提供持續(xù)充足的能量，確保其穩(wěn)定可靠工作，是不可或缺的存在。因此，對(duì)于硬件工程師來說，電源管理器件的選型和應(yīng)用，是產(chǎn)品開發(fā)中重要的一環(huán)。
一直以來，在滿足輸入電壓、輸出電壓/電流等基本規(guī)格要求基礎(chǔ)上，電源管理器件一直在追求高精度、高效率、高可靠、低噪聲、小尺寸等方面不斷迭代升級(jí)，發(fā)展出了種類繁多的產(chǎn)品和解決方案。而在具體選型時(shí)，則需要工程師根據(jù)最終的設(shè)計(jì)要求，在上述諸多特性之間進(jìn)行權(quán)衡和取舍。
一般來講，針對(duì)較為成熟的產(chǎn)品和應(yīng)用，電源管理器件的選型往往更在意性價(jià)比、供應(yīng)鏈穩(wěn)定性等要素，因此那些綜合性能表現(xiàn)較好的產(chǎn)品更適合。
而如果你面對(duì)的是下一代更具創(chuàng)新性的產(chǎn)品和方案的設(shè)計(jì)，則要選擇同樣具有創(chuàng)新性的電源管理器件，以獲得更大的差異化優(yōu)勢(shì)。這時(shí)，就需要工程師在選型時(shí)獨(dú)具慧眼，能夠精準(zhǔn)地get到相關(guān)電源管理器件身上能夠?yàn)閯?chuàng)新設(shè)計(jì)賦能的特殊閃光點(diǎn)。
為了能夠讓獨(dú)具創(chuàng)新性的電源管理器件，從成千上萬種產(chǎn)品中脫穎而出，進(jìn)入硬件工程師的法眼，電源管理器件廠商通常會(huì)為它們打上“標(biāo)簽”，比如Analog Devices會(huì)在這類器件旁邊注明“推薦用于新設(shè)計(jì)”。
縱觀這類創(chuàng)新性的電源管理器件，它們都具有一些獨(dú)特的“過人之處”：要么是通過增添新的功能，讓人耳目一新；要么是在某一方面追求“極致”，讓競(jìng)品望塵莫及；或者是依托設(shè)計(jì)和架構(gòu)創(chuàng)新，補(bǔ)齊原有的性能短板。
本文中，我們就將介紹三款來自Analog Devices的創(chuàng)新電源管理產(chǎn)品，希望它們能夠成為你創(chuàng)新產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)工具箱中，可堪重任的開發(fā)利器！
LT3074低壓差線性穩(wěn)壓器
低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）是一種應(yīng)用極為廣泛的電源管理器件，憑借架構(gòu)簡(jiǎn)潔、易開發(fā)、BOM成本低、噪聲小等特性，備受低壓差、較低功耗、噪聲敏感型應(yīng)用青睞，也會(huì)被用作開關(guān)穩(wěn)壓器的下游電路，做精細(xì)調(diào)節(jié)。
LT3074是Analog Devices推出的一款低壓、低噪聲、具有超快瞬態(tài)響應(yīng)的LDO，可提供高達(dá) 3A 的電流，典型壓差為45mV，還可通過并聯(lián)多個(gè)器件，提供更高的電流。LT3074具有1.2μVRMS的超低RMS噪聲（10Hz至100kHz），7μVP-P超低1/f噪聲（0.1Hz至10Hz），以及高頻PSRR特性（1MHz時(shí)為52dB），這使其可以使用更小的陶瓷電容器，從而節(jié)省PCB面積和成本。
圖1：LT3074低壓差線性穩(wěn)壓器（圖源：Analog Devices）
從上述這些特性來看，LT3074已經(jīng)算得上是一款優(yōu)秀的LDO產(chǎn)品。不過其還有一個(gè)更獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)——具有PMBus串行接口，可以實(shí)現(xiàn)更靈活的數(shù)字控制。
在電源管理系統(tǒng)中，基于PMBus的數(shù)字控制并不是一個(gè)新概念，它意味著用戶可以用軟件命令來即時(shí)控制和設(shè)定電源管理器件的參數(shù)，如開關(guān)頻率、電流限值和輸出電壓等，而不像純粹的模擬設(shè)計(jì)中，需要調(diào)整電阻器和電容器等硬件才能實(shí)現(xiàn)。這無疑為設(shè)計(jì)帶來了更大的靈活性。而且，通過PMBus通信還能獲取電源管理器件的狀態(tài)參數(shù)，動(dòng)態(tài)地監(jiān)視電源系統(tǒng)，有助于進(jìn)一步提升其性能和可靠性。
不過，以往PMBus數(shù)字控制都是應(yīng)用在較高功率的開關(guān)電源器件中，低功率的LDO通常沒有數(shù)字接口。而LT3074則引入了PMBus串行接口，以遙測(cè)輸出電壓和電流、輸入電壓、偏置電壓和芯片溫度等信息；也可以通過PMBus配置器件，比如以0.05A的步長(zhǎng)在1A至6.4A之間對(duì)輸出電流限制進(jìn)行設(shè)置。
圖2：LT3074的系統(tǒng)框圖（圖源：Analog Devices）
LT3074可由具有圖形用戶界面 (GUI) 的LTPowerPlay軟件開發(fā)工具提供支持，具體的PMBus數(shù)字控制功能包括：
VOUT、IOUT、VIN、VBIAS和溫度報(bào)告
VOUT裕度
IOUT過流和欠流警告限值
VOUT、VIN和VBIAS欠壓和過壓警告限值
過熱警告限值
總之，具有PMBus數(shù)字接口的LT3074可謂是如虎添翼，可以通過PMBus指令對(duì)器件進(jìn)行更靈活地監(jiān)測(cè)、保護(hù)和控制，這使其成為低噪聲儀器、高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、射頻電源和醫(yī)療等領(lǐng)域創(chuàng)新應(yīng)用的理想選擇。
LT8349兩相低IQ同步升壓轉(zhuǎn)換器
開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器也是一種常見的電源管理拓?fù)?，與LDO相比，此類器件盡管架構(gòu)復(fù)雜，開發(fā)難度和成本較高，EMI噪聲較大，但是適用于高壓差、大電流的應(yīng)用，且效率高、功耗小，通常被用作復(fù)雜電源系統(tǒng)中的主轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓器件。
在開關(guān)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)迭代中，低功耗和高效率一直是個(gè)核心訴求。不過，功耗的降低和效率的提升，往往與器件其他一些特性相互制約，因此在電源管理器件的設(shè)計(jì)中，需要全方位考量，多方面施力，力求做到“極致”。
圖3：LT8349兩相低IQ同步升壓轉(zhuǎn)換器（圖源：Analog Devices）
Analog Devices的LT8349兩相低IQ同步升壓轉(zhuǎn)換器在功耗和效率的優(yōu)化方面，就做得十分出色。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，LT8349采用了一系列優(yōu)化舉措。
首先，LT8349的同步整流技術(shù)減少了開關(guān)損耗，可以實(shí)現(xiàn)高效率并降低器件的熱量耗散。
其次，LT8349具有極低的靜態(tài)電流IQ，在關(guān)斷模式下僅為0.5μA，這使其非常適用于電池供電設(shè)備，大大提升其電池續(xù)航能力。
再有，LT8349在輕負(fù)載條件下支持逐級(jí)遞減（Stage Shedding）和可選的突發(fā)模式（Burst Mode）——前者允許在輕負(fù)載情況下關(guān)斷一個(gè)或多個(gè)相位，以降低與開關(guān)切換有關(guān)的損耗，而后者使得轉(zhuǎn)換器僅在必要時(shí)激活開關(guān)，減少開關(guān)次數(shù)以降低損耗（LT8349在突發(fā)模式下工作時(shí)電流僅為15μA）。這種設(shè)計(jì)令LT8349在從輕載到滿載的寬負(fù)載范圍內(nèi)均能保持高效率。
此外， LT8349還采用了兩相開關(guān)電源的架構(gòu)。與傳統(tǒng)的單相升壓轉(zhuǎn)換器通過單路電感儲(chǔ)能和釋放能量不同，多相（如兩相）架構(gòu)通過多個(gè)相位交錯(cuò)工作，分?jǐn)傠娏髫?fù)載。兩相均攤電流降低了單相MOSFET的導(dǎo)通損耗和溫升，有助于在大功率升壓場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)更高的效率以及更佳的熱性能。
值得一提的是，除了提升效率和熱性能，兩相開關(guān)電源的架構(gòu)還為L(zhǎng)T8349帶來了其他的性能優(yōu)勢(shì)：
兩相操作可減少單相電流峰值，從而降低對(duì)輸入和輸出電容的容量要求，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以使用更小體積的外圍元件，縮小整體電源方案體積。
相位交錯(cuò)使電流紋波相互抵消，可顯著降低輸出紋波與EMI，有助于電源噪聲的抑制。
圖4：LT8349同步升壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)框圖（圖源：Analog Devices）
綜上所述，LT8349通過同步整流、兩相架構(gòu)、低IQ和輕載工作模式等多個(gè)方面的協(xié)同優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了該升壓轉(zhuǎn)換器在效率、散熱和待機(jī)功耗等方面出眾的性能，使其成為創(chuàng)新的工業(yè)電源和手持設(shè)備低功耗設(shè)計(jì)的核心組件。
LTM4703降壓型Silent Switcher 3
μModule?電源模塊
眾所周知，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器較高的EMI噪聲，一直是困擾硬件工程師的一個(gè)難題。采用金屬屏蔽的方式，固然是應(yīng)對(duì)電源噪聲的有效方法，但是成本太高。因此，如何降低開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的EMI噪聲，彌補(bǔ)此類器件這一“先天不足”，一直是電源管理器件廠商追求的目標(biāo)。
為此，Analog Devices開發(fā)出了Silent Switcher技術(shù)，其通過減少開關(guān)模式電源熱回路中的寄生電感，并將熱回路設(shè)置為高度對(duì)稱的兩個(gè)回路，可以讓電磁輻射相互抵消，使得采用Silent Switcher技術(shù)的電壓轉(zhuǎn)換器獲得極佳的低EMI特性。而且，低EMI還允許器件提高開關(guān)轉(zhuǎn)換速度，減少開關(guān)損耗，并采用更小尺寸的外圍元件，為電壓轉(zhuǎn)換器帶來全方位的性能提升。
經(jīng)過多年的發(fā)展，如今Silent Switcher技術(shù)已經(jīng)演進(jìn)到了第三代。其中第二代的Silent Switcher技術(shù)與第一代的Silent Switcher技術(shù)相比，集成了精密電容，在器件的小型化和簡(jiǎn)化系統(tǒng)PCB布局上更上層樓。而第三代的Silent Switcher則在第二代技術(shù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了低LT噪聲（10 Hz至100 kHz）、超快速瞬態(tài)響應(yīng)和超寬Vout范圍（低至0V）。
圖5：基于Silent Switcher 3技術(shù)的LTM4703降壓型μModule?電源模塊（圖源：Analog Devices）
顧名思義，LTM4703降壓型Silent Switcher 3 μModule?電源模塊，就是基于新一代Silent Switcher 3技術(shù)的電源管理器件，其超低RMS噪聲（10Hz至100kHz）僅有8μVRMS。
而且，LTM4703電源模塊在一個(gè)緊湊的封裝中，集成了開關(guān)控制器、功率MOSFET、電感器和配套元器件，僅需很少的外圍元件即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其支持3V至16V的寬輸入電壓范圍，提供0.3V至6V的輸出電壓和高達(dá)12A的連續(xù)輸出電流。先進(jìn)的系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)，還提供了更好的熱性能。
總之，LTM4703是一款結(jié)合了超低噪聲技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性解決方案，具有突出的低EMI、高效率、小型化優(yōu)勢(shì)，非常適合大電流、噪聲敏感型應(yīng)用。
圖6：LTM4703的典型應(yīng)用示意圖（圖源：Analog Devices）
本文小結(jié)
從上文的介紹中，想必大家都已經(jīng)深入了解了這些Analog Devices的創(chuàng)新電源管理器件身上與眾不同的優(yōu)勢(shì)特質(zhì)。不論是功能上的升級(jí)，還是性能上的精進(jìn)，抑或是架構(gòu)上的創(chuàng)新，這些電源管理器件都是殊途同歸，為創(chuàng)新的電子設(shè)計(jì)提供更有利的支撐。
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