| 背景信息
下一代路由器和交換機(jī)越來(lái)越復(fù)雜，而且要有較強(qiáng)的可擴(kuò)展能力，這給電源制造商帶來(lái)了壓力，要求他們提高效率，減小解決方案體積，提供靈活的解決方案，以在多種平臺(tái)上擴(kuò)展應(yīng)用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師經(jīng)常會(huì)具有某一基本架構(gòu)的幾種變型，從而使他們能夠提供各具不同特性集的高端、中端和低端系統(tǒng)�？筛鶕�(jù)系統(tǒng)需要增添、移除或調(diào)整大小的器件類型示例包括；內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器 (CAM)、三元內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器 (TCAM)、專用集成電路 (ASIC)、全定制硅芯片和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)。
CAM 通常被描述為與隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器 (RAM) 完全不同。要讀取 RAM 中的數(shù)據(jù)時(shí)，操作系統(tǒng)必須提供數(shù)據(jù)所在的存儲(chǔ)器地址。存儲(chǔ)在 CAM 中的數(shù)據(jù)則可通過(guò)查詢內(nèi)容本身來(lái)訪問(wèn)，存儲(chǔ)器讀取能夠找到數(shù)據(jù)的地址。由于其并行本質(zhì)，CAM 要比 RAM 快很多。但是，這會(huì)消耗很大的功率，產(chǎn)生較多的熱量。CAM 非常昂貴，因此，一般不用在 PC 中。即使是路由器供應(yīng)商有時(shí)候也會(huì)非常節(jié)儉，轉(zhuǎn)而選擇實(shí)現(xiàn)基于高級(jí)軟件的搜索算法。網(wǎng)絡(luò)處理設(shè)備中會(huì)使用 CAM，包括 Intel IXP 卡和各種路由器或交換機(jī)。最常實(shí)現(xiàn)的 CAM 被稱之為二元 CAM。它們只搜索 1 和 0�？梢源_定的是以千兆位線速率轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)幀的任何交換功能都使用了 CAM 進(jìn)行查找。如果它們使用 RAM，操作系統(tǒng)則不得不記住存儲(chǔ)任何內(nèi)容的地址。而采用 CAM，操作系統(tǒng)可以在一次操作中找到自己所需要的。
TCAM 是一種特殊類型的高速存儲(chǔ)器，在一個(gè)時(shí)鐘周期中搜索所有內(nèi)容�！叭边@個(gè)術(shù)語(yǔ)指的是存儲(chǔ)器使用三種不同的輸入 (0、1 和 X) 來(lái)存儲(chǔ)和查詢數(shù)據(jù)的能力。常被稱為“隨意”或“通配符”狀態(tài)的“X”輸入使得 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。路由器可以在這些 TCAM 中存儲(chǔ)完整的路由表，能夠非�？焖俚倪M(jìn)行查找。TCAM 提高了查找速度，也增強(qiáng)了數(shù)據(jù)包分類和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)能力，但是功耗比 CAM 高。CAM 和 TCAM 都需要非常精確的設(shè)置點(diǎn)，有嚴(yán)格的電壓瞬變要求，這對(duì)于電源設(shè)計(jì)師而言是很大的挑戰(zhàn)。
ASIC 是另一種可以用在路由器和交換機(jī)中的器件，這種集成電路 (IC) 能夠針對(duì)某種應(yīng)用進(jìn)行定制，而不是面向通用應(yīng)用。新式 ASIC 常常包含整個(gè)微處理器、內(nèi)存塊 (包括 ROM、RAM、EEPROM、閃存) 及其他大型單元式部件。這樣的一個(gè) ASIC 通常被稱為 SoC (片內(nèi)系統(tǒng))，而且此類 ASIC 會(huì)需要幾百安培的電流和介于 0.8V 至 1.2V 范圍內(nèi)的電壓。采用 TCAM 和 CAM，設(shè)置點(diǎn)準(zhǔn)確度和瞬變響應(yīng)對(duì)于這些解決方案的整體性能非常關(guān)鍵。小解決方案尺寸和優(yōu)異的電流控制功能也是電源設(shè)計(jì)師的關(guān)鍵要求。
FPGA 是用于路由器和交換機(jī)的另一類器件，是一種可以進(jìn)行編程的集成電路。FPGA 用在特殊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，支持用戶對(duì)微處理器進(jìn)行定制以滿足他們自己獨(dú)特的需求。這類器件有多路電壓輸入，其內(nèi)核電源要求提供一百安培以上的電流。
可擴(kuò)展能力
分配給某一路由器的 CAM 和 TCAM 數(shù)量取決于網(wǎng)絡(luò)公司怎樣定位他們的產(chǎn)品 —— 是低端、中端還是高端路由器。較昂貴的路由器通常會(huì)有足夠的 CAM 和 TCAM，以便實(shí)現(xiàn)最高速度、最快查找和最大的吞吐量。但是，某些客戶不愿意購(gòu)買高端路由器，除非他們認(rèn)為增加額外的成本是合理的。因此，需求是要求能夠提供具有不同級(jí)別功能的多種平臺(tái)，如果有可以用于不同功率電平而且有多路輸出的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來(lái)支持多種平臺(tái)將會(huì)非常方便。
現(xiàn)有的解決方案一般能夠提供多相設(shè)計(jì)，但是只有一路或者兩路輸出。如果有兩路以上的大電流負(fù)載，用戶會(huì)求助于使用多個(gè)控制器，這增加了解決方案的尺寸、設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本。此外，某些現(xiàn)有的電源解決方案需要一種與標(biāo)準(zhǔn) DrMOS 或電源模塊 (power block) 器件不兼容的專用功率鏈路器件。凌力爾特公司的 LTC7851/-1 控制器滿足了對(duì)跨多個(gè)平臺(tái)靈活性的需求，這些平臺(tái)要求提供同時(shí)支持大電流輸出和高密度多路輸出負(fù)載點(diǎn)的解決方案。
可擴(kuò)展的解決方案
LTC7851/-1 是一款多相同步電壓模式降壓控制器，支持用戶靈活的從一路、兩路、三路或者四路輸出中進(jìn)行選擇，根據(jù)所選擇的外部元器件，能夠?yàn)槊柯份敵鎏峁└哌_(dá) 40A電流。作為一個(gè)實(shí)例，所有 4 相可以組合在一起為內(nèi)核電源提供 160A，或者提供支持系統(tǒng)電源以及 ASIC 各種 I/O 電源軌的 4 路獨(dú)立輸出。LTC7851/-1采用 DrMOS、電源模塊 (Power Block) 以及分立型 N 溝道 MOSFET 和用于功率鏈路器件的相關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)器一起工作，從而實(shí)現(xiàn)了靈活的設(shè)計(jì)配置。采用兩個(gè) IC 時(shí)，最多可把 8 相并聯(lián)以及進(jìn)行異相計(jì)時(shí)，以最大限度地減少針對(duì)非常高電流要求 (超過(guò) 260A) 的輸入和輸出濾波。采用三個(gè) IC 時(shí)，通過(guò)使用一個(gè)外部時(shí)鐘芯片 (例如：LTC6902) 可對(duì)多達(dá) 12 相進(jìn)行 30° 異相計(jì)時(shí)。
而且，當(dāng)并聯(lián)時(shí)，LTC7851 / -1 的內(nèi)部輔助均流環(huán)路可使相位之間的電流達(dá)到均衡，從而能夠跨多顆 IC 在相位間實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的均流，在穩(wěn)態(tài)和瞬變過(guò)程中皆是如此。它采用了 3V 至 5.5V 的 VCC 供電電壓工作，設(shè)計(jì)用于對(duì) 3V 至 27V 的輸入電壓進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生 0.6V 至 5V 的 1 至 4 路獨(dú)立輸出電壓。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，也可以同步至一個(gè)同樣范圍的外部時(shí)鐘。通過(guò)監(jiān)視輸出電感器 (DCR) 兩端的壓降可檢測(cè)輸出電流，從而提高了效率，也可以使用低阻值檢測(cè)電阻器檢測(cè)輸出電流。內(nèi)置差分放大器在所有輸出上提供了真正的遠(yuǎn)程輸出電壓檢測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確度的調(diào)節(jié)功能。
LTC7851-1 與 LTC7851 相似，只是前者具有較低的電流檢測(cè)放大器增益，因而非常適合于采用具內(nèi)部電流檢測(cè)能力之 DrMOS 的功率鏈路應(yīng)用。針對(duì)每相的其他特點(diǎn)包括電流監(jiān)視、可調(diào)電流限值、可編程軟起動(dòng)或跟蹤、以及個(gè)別的電源良好信號(hào)。此外，它還能在一個(gè) –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，并采用 58 引腳 5mm x 9mm QFN 封裝。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，精心設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確基準(zhǔn)能夠極大地減少滿足當(dāng)今定制硅芯片和 ASIC 之瞬態(tài)響應(yīng)所需的體輸出電容量。圖 1 示出了采用 DrMOS 作為功率鏈路器件以把一個(gè) 7V 至 14V 輸入轉(zhuǎn)換為一個(gè) 1.2V/120A 輸出的簡(jiǎn)化原理圖。
圖1：LTC7851 簡(jiǎn)化原理圖，實(shí)現(xiàn)了 1.2V/120A 單輸出
效率
圖 2 中的 LTC7851 效率曲線表示了圖 1 電流原理圖，顯示了具有高達(dá) 120A 輸出電流的 7V、12V 和 14V 輸入電壓�？梢詫�(shí)現(xiàn)高達(dá) 94.5% 的效率。
圖2：LTC7851 在 7V、12V 和 14V 輸入至 1.2V/120A 單輸出時(shí)的效率曲線
效率 (%)
負(fù)載電流 (A)
電流平衡
當(dāng)把多個(gè) LTC7851/-1 的通道并聯(lián)以驅(qū)動(dòng)一個(gè)公共負(fù)載時(shí)，準(zhǔn)確的輸出均流對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳性能和效率是必不可少的。否則，倘若某個(gè)電路級(jí)提供的電流多于另一個(gè)電路級(jí)，則這兩個(gè)電路級(jí)之間的溫度將是不同的，而且這有可能轉(zhuǎn)化為較高的開(kāi)關(guān) RDS(ON)、較低的效率和較高的 RMS 紋波。這里，即使是少量的失配也會(huì)極大地減少多相設(shè)計(jì)中的可用總功率。利用 LTC7851 嚴(yán)緊的均流規(guī)格，設(shè)計(jì)師將能從當(dāng)今的 DrMOS 器件提取最大的輸出電流。
對(duì)于單輸出多相應(yīng)用，LTC7851/-1 內(nèi)置了一個(gè)輔助均流環(huán)路，在該環(huán)路中每個(gè)周期對(duì)電感器電流進(jìn)行采樣。主控制器的電流檢測(cè)放大器輸出在 IAVG 引腳上取平均。一個(gè)連接在 IAVG 和 GND 之間的小電容器 (通常為 100pF) 負(fù)責(zé)存儲(chǔ)一個(gè)與主控制器的瞬時(shí)平均電流對(duì)應(yīng)的電壓。主控器相位和受控器相位 IAVG 引腳連接在一起，而且每個(gè)受控器相位對(duì)其電流與主控器之間的差異進(jìn)行積分。在每相內(nèi)，積分器輸出與系統(tǒng)誤差放大器電壓 (COMP) 進(jìn)行按比例求和，并調(diào)節(jié)該相位的占空比以均衡電流。當(dāng)多顆 IC 采取菊鏈?zhǔn)竭B接時(shí)，IAVG 引腳連接在一起，從而導(dǎo)致一個(gè)大約 2% 至 3% 的電流失衡。圖 3 示出了四相中每相的電感器電流檢測(cè)電壓與負(fù)載電流的關(guān)系曲線，以及它們?cè)谡麄�(gè)負(fù)載范圍內(nèi)所達(dá)到的平衡水平。
圖3：?jiǎn)温?/strong> 1.2V/120A 輸出的四相電流平衡
負(fù)載 (A)
多相工作
可對(duì)多達(dá) 12 相進(jìn)行菊鏈?zhǔn)竭B接以彼此異相地同時(shí)運(yùn)行。多相電源減小了輸入和輸出電容器中的紋波電流量，因而與采用單相替代方案相比顯著地降低了 EMI 和濾波要求。RMS 輸入紋波電流除以所用相位的總數(shù)，而有效紋波頻率則乘以所用相位的總數(shù)。另外，輸出紋波幅度也降低了所實(shí)現(xiàn)之相位數(shù)的倍數(shù)。如圖 4 所示，針對(duì) 3、4、8 或 12 相運(yùn)作來(lái)連接多個(gè)器件是十分容易的。
圖4：LTC7851 多相配置
當(dāng)在單輸出、多相應(yīng)用中使用 LTC7851/-1 時(shí)，受控器誤差放大器必須通過(guò)把其 FB 引腳連接至 VCC 來(lái)停用。應(yīng)僅使用一個(gè)連接至 SGND 的電阻器把所有的電流限值均設(shè)定為相同的數(shù)值。CLKOUT 信號(hào)可連接至隨后的 LTC7851/-1 電路級(jí)之 CLKIN 引腳，以對(duì)齊整個(gè)系統(tǒng)的頻率和相位。
結(jié)論
路由器和交換機(jī)設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師現(xiàn)在可以使用適用于多個(gè)平臺(tái)的一個(gè) DC/DC 控制器來(lái)建立不同功率級(jí)的設(shè)計(jì)。使用功率鏈路中的 DrMOS 或者電源模塊 (power block)，從 1 到 12 相中進(jìn)行選擇，而且每相高達(dá)40A，這使得 LTC7851/-1 能夠?yàn)楫?dāng)今要求最嚴(yán)格的通信和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品提供非常靈活的解決方案。 |
