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POLA模塊電源 板級電源設計的成熟度和可靠度直接影響著(zhù)電子產(chǎn)品的穩定性。在設計復雜的板級DC/DC時(shí)，為了減小設計風(fēng)險，提高設計成熟度，加快開(kāi)發(fā)一次成功率,越來(lái)越多的方案引入了DC/DC電源模塊。目前主流的DC/DC模塊電源生產(chǎn)商主要分為DOSA聯(lián)盟和POLA聯(lián)盟兩大陣營(yíng)。 POLA模塊是非開(kāi)放標準的設計,所以要深入分析電路有一定難度。但是考慮到POLA模塊電源的電路設計基本相同，所以筆者以PTH03030 POLA模塊電路為例,對其電路設計進(jìn)行了深度剖析。 PTH03030模塊電源總體架構分析 PTH03030模塊電源是一種非隔離的POLA電源，可輸出30A電流，模塊面積大約9cm2，采用PCB多層板設計，可以滿(mǎn)足目前高密度板級電源的應用需求，例如多處理器、高速DSP系統等。 PTH03030模塊采用高密度的雙面表貼設計，通過(guò)一個(gè)外接的電阻實(shí)現輸出電壓在0.8～2.5V之內可調，輸出效率可以達到93%，工作溫度范圍為-40～+85℃。PTH03030模塊的產(chǎn)品外觀(guān)如圖1所示。 圖1 POLA PTH030模塊電源外觀(guān)圖 PTH03030模塊的系統結構如圖2所示。其中，自動(dòng)電壓跟蹤模塊能夠跟蹤電源電壓的上下電時(shí)序，實(shí)現輸出電壓時(shí)序控制；也可以實(shí)現成多個(gè)POLA模塊的輸出電壓互相追蹤，或者共同追蹤外部電壓的上下電時(shí)序。這個(gè)特點(diǎn)非常適合系統中需要多個(gè)電壓供電且對于上電先后順序有嚴格要求的板級電源設計方案。 ON/OFF使能模塊用于控制模塊電源的輸出，在需要單獨關(guān)閉部分板級電路功能的場(chǎng)合非常適用。 圖2 PTH03030模塊的系統模塊框圖 電壓輸出微調模塊支持輸出電壓降檢測和補償調節。該模塊還具有輸出電壓正偏或負偏的微調控制功能，可以使用在系統微調測試的場(chǎng)合。 PTH03030模塊保護功能比較齊全，可以實(shí)現過(guò)溫保護、過(guò)流保護、欠壓鎖定保護。 PWM BUCK控制模塊設計分析 PTH03030H模塊的降壓PWM控制模塊（U3）的局部電路如圖3所示。 圖3 PTH03030H模塊的BUCK降壓PWM控制模塊電路圖 U3控制器內部主要有基準電源電路、軟啟動(dòng)電路、300kHz振蕩電路、充電泵電路、過(guò)流檢測電路等。 U3內部有0.8V的基準電源，用來(lái)和輸出電壓的反饋端子PWM_FB進(jìn)行環(huán)路反饋比較。主流POLA模塊電源的輸出電壓最低值是0.8V。 U3的軟啟動(dòng)電路可控制上電速率, 軟啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間大約為5～10ms，整個(gè)上電過(guò)程在15ms完成，典型軟啟動(dòng)時(shí)間為6.5ms。在軟啟動(dòng)功能運行時(shí)，TRACK管腳必須連接輸入電源電壓管腳，屏蔽POLA模塊的自動(dòng)電壓跟蹤功能。此時(shí)，模塊電源的上電受內部的軟啟動(dòng)上電模塊控制。 U3內部的充電泵電路主要通過(guò)外接C20電容實(shí)現低輸入電壓的提升,滿(mǎn)足內部部分電路高電壓的要求。在3.3V輸入的條件下,需要C20啟動(dòng)內部充電泵；在5V輸入條件下，C20泵電容可以不接。 U3內置的過(guò)流檢測電路可檢測上臂MOSFET的導通電阻RDS(ON)上的電流。如果流過(guò)上臂MOSFET的電路超過(guò)閾值,其管壓降超過(guò)R12電阻的壓降,導致U3內部的過(guò)流比較器翻轉,關(guān)斷PWM輸出,實(shí)現過(guò)流保護。 實(shí)際測試中，R12的電壓設定在160mV左右，對應45A的過(guò)流保護閾值。如果需要實(shí)現不同的過(guò)流保護閾值，只需要更改R12的電阻值即可。 MOSFET功率模塊分析 MOSFET功率模塊的電路如圖4所示。其中，U1為MOSFET驅動(dòng)IC，采用TI公司的TPS2834，可實(shí)現同步整流MOSFET并聯(lián)對管的驅動(dòng)。U1的第2管腳接PWM單路輸入,經(jīng)過(guò)內部的雙路移相后，輸出驅動(dòng)后級同步整流上臂MOSFET Q2、Q3和下臂MOSFET Q1、Q4。 TPS2834的輸出驅動(dòng)特性比較優(yōu)異,在輸入3.3V，輸出0.8V，滿(mǎn)載30A負載電流時(shí),MOSFET的驅動(dòng)波形非常理想,無(wú)明顯的振鈴現象。TPS2834良好的MOSFET驅動(dòng)特性保證了PTH03030可實(shí)現高達90%以上的轉換效率。 圖4 PTH03030模塊的MOSFET功率模塊電路 DT管腳就是上下臂MOSFET的死區控制管腳，連接到上下臂MOSFET的中點(diǎn)，可防止出現上下臂MOSFET由于關(guān)斷延時(shí)而瞬時(shí)直通造成的過(guò)流隱患。 升壓模塊分析 升壓電路由U2及其外圍電路組成（見(jiàn)圖5）。U2是一款SOT-23封裝的升壓控制器，內置MOSFET，可極大地簡(jiǎn)化升壓模塊的外圍電路，實(shí)現高密度的模塊應用。 圖5 PTH03030模塊的升壓電路 U2的開(kāi)關(guān)頻率最大可以達到1MHz，在輸出相同電流的條件下,可以極大減小升壓電感的體積和輸出濾波電容的容量和個(gè)數。升壓控制器內置過(guò)流保護功能，當升壓輸出電流達到400mA時(shí),進(jìn)入過(guò)流保護,使升壓芯片不受進(jìn)一步的損壞。 PTH03030模塊的升壓電壓為6.5V,實(shí)際測試最高可以達到28V的升壓輸出,升壓后的電源提供整個(gè)模塊的MOSFET驅動(dòng)IC U1,電壓跟蹤比較運放的供電。 自動(dòng)電壓跟蹤模塊分析 PTH03030模塊的一個(gè)主要特點(diǎn)就是支持自動(dòng)電壓跟蹤控制，由施加參考電壓在TRACK腳來(lái)實(shí)現。施加在TRACK腳上的電壓和輸出電壓通過(guò)模塊的低電壓運算放大器進(jìn)行實(shí)時(shí)誤差比較放大,誤差比較電壓經(jīng)下一級的電壓緩沖后,直接控制PWM控制器的FB反饋電壓。只要運放的輸出響應足夠快,就能保證PTH03030的輸出電壓和TRACK電壓精密跟隨上下電的電壓輸出時(shí)序。 圖6 PTH03030模塊的自動(dòng)電壓跟蹤功能典型應用電路 自動(dòng)電壓跟蹤功能典型應用電路如圖6所示，2個(gè)模塊的TRACK管腳一起連接到Q1的D級。系統上電時(shí),控制電平為低電平，Q1關(guān)斷，TRACK管腳電壓上升,上下兩塊POLA模塊的輸出電壓跟隨TRACK腳電壓同步上升。當模塊達到各自的輸出電壓設定值時(shí),電壓自動(dòng)跟蹤完成，模塊各自達到設定點(diǎn)，完成時(shí)序上電控制。當需要系統下電時(shí)，控制電平轉為高電平，Q1導通，TRACK電壓下降，模塊輸出跟蹤下降。 輸出微調模塊分析 PTH03030模塊的微調模塊外部應用電路如圖7所示。模塊的微調輸出電壓正/負偏輸出的控制腳分別是9和10腳，正偏微調電阻Ru通過(guò)場(chǎng)效應管Q2接地，負偏微調電阻Rd通過(guò)場(chǎng)效應管Q1接地。當需要輸出進(jìn)入正偏模式時(shí)，只要在Q2的柵極施加高電平,使Q2導通,Ru回路導通，通過(guò)內部的微調電壓分壓，可實(shí)現輸出電壓的正偏移輸出，負偏電壓微調輸出同理。 圖7 PTH03030模塊的輸出電壓正偏/負偏微調應用電路 保護功能模塊分析 PTH03030模塊的全局過(guò)溫保護電路如圖8所示。U4是一款SOT-23封裝的溫度傳感器IC，通過(guò)和外圍電路配合可以實(shí)現模塊的過(guò)溫保護功能,防止模塊電路出現異常過(guò)溫燒毀的隱患。過(guò)溫保護電路在模塊溫度超過(guò)OTP保護閾值時(shí),會(huì )自動(dòng)將INHIBIT使能管腳電壓下拉，輸出全局關(guān)斷電壓。 過(guò)溫保護不采用芯片內置的過(guò)溫保護電路，主要是考慮到POLA模塊上的多種控制芯片的過(guò)溫保護閾值存在離散性。而通過(guò)OTP電路實(shí)現全局過(guò)溫聯(lián)動(dòng),確實(shí)是不錯的專(zhuān)業(yè)設計考慮。 PTH03030H的ON/OFF開(kāi)關(guān)由INHIBIT使能管腳控制,可實(shí)現全局模塊的關(guān)斷或者輸出。INHIBIT管腳不是TTL接口的電平,在設計階段注意不能直接和3.3V邏輯器件的I/O直接連接，推薦接法如圖9所示。 圖8 PTH03030模塊的保護電路 圖9 PTH03030模塊的ON/OFF控制應用電路 |
