Сдвоенный модуль регулятора напряжения с цифровым интерфейсом и выходными токами 13 А

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2015

Jian Li, Gina Le, Linear Technology

Design Note 524

Цифровые системы управления питанием: задание, контроль, изменение и протоколирование параметров

При большом количестве шин питания управление потреблением мощности на печатных платах превращается в сложную задачу, требующую ручных измерений с помощью цифровых вольтметров и осциллографов, а нередко и доработки печатной платы. Для того чтобы сделать управление питанием более простым, особенно в тех случаях, когда управляющий контроллер удален от потребителей энергии, в последнее время все чаще используются решения с управлением по цифровой коммуникационной шине. Цифровая система управления питанием позволяет удаленно задавать, контролировать, изменять и протоколировать параметры источника.

Сдвоенный регулятор μModule с высокой точностью установки и измерения параметров питания

LTM4676 представляет собой микромодуль (μModule), содержащий два DC/DC преобразователя с постоянной частотой переключения и выходными токами 13 А (Рисунок 1). LTM4676 могут не только обеспечивать питанием точки приложения нагрузки и легко конфигурироваться под различные задачи, но и осуществлять телеметрический контроль параметров питания, передавая информацию через шину PMBus – открытый стандарт, основанный на цифровом последовательном интерфейсном протоколе I²C. В модуле LTM4676 объединены лучшие в своем классе аналоговые импульсные регуляторы и высокоточные схемы смешанных сигналов для обработки данных. Во всем диапазоне рабочих температур перехода от –40 °C до 125 °C погрешность стабилизации выходного напряжения не превышает ±1%, а точность измерения тока составляет ±2.5%. В модуль интегрированы 16-битный дельта-сигма АЦП и EEPROM.

Рисунок 1.	LTM4676: двухканальный стабилизатор напряжения μModule с выходными токами 13 А и интерфейсом PMBus.

Последовательный двухпроводный интерфейс модуля LTM4676 позволяет устанавливать точные уровни или предельные границы выходного напряжения, программировать скорости его нарастания и спада, а также задавать очередность и задержки включения каналов. С помощью интерфейса можно считывать величины входных и выходных токов и напряжений, выходную мощность, температуру, время работы устройства и пиковые значения. Устройство состоит из двух быстродействующих аналоговых контуров управления, точных цифро-аналоговых цепей, EEPROM, силовых MOSFET, катушек индуктивности и дополнительных компонентов, размещенных в корпусе размером 16 × 16 × 5.01 мм.

Микросхема работает при входном напряжении V_IN от 4.5 В до 26.5 В, преобразуя его в два выходных напряжения от 0.5 В до 5.4 В. Два выхода можно объединить в один, чтобы получить удвоенный выходной ток: 13 А + 13 А = 26 А.

Внутренняя или внешняя коррекция

В LTM4676 предусмотрена возможность использования как собственных внутренних цепей коррекции, так и внешних, что позволяет оптимизировать переходную характеристику в широком диапазоне рабочих режимов. Из Рисунка 2 видно, что при скачкообразном увеличении нагрузки на 50% выброс выходного напряжения составляет всего 94 мВ пик-пик.

Рисунок 2.	Переходная характеристика LTM4676 в схеме, изображенной на Рисунке 1, при VIN = 12 В, VOUT1 = 1.8 В, IO = 6.5 A … 13 A.

Объединение каналов для получения выходных токов до 100 А при выходном напряжении 1 В

В микросхеме реализована архитектура с управлением по пиковому току на постоянной частоте переключения, обеспечивающая поцикловое ограничение тока и простое распределение токов между несколькими фазами. Соединяя параллельно несколько модулей, можно увеличить ток нагрузки. Например, четыре модуля LTM4676, включенные параллельно, могут отдавать выходной ток до 100 А. На Рисунке 3 показана термограмма платы с четырьмя модулями.

Рисунок 3.	Термограмма платы с четырьмя модулями LTM4676. VIN = 12 В, VOUT = 1.0 В/100 А, скорость обдува 100 м/мин.

При скорости воздушного потока 100 метров в минуту температура горячей зоны поднимается всего лишь до 64.3 °C. Столь однородная тепловая картина обусловлена отличными характеристиками распределения тока. На Рисунке 4 приведена фотография демонстрационной платы с четырьмя стабилизаторами μModule LTM4676, объединенными в один регулятор с выходным током 100 А и напряжением 1 В.

Рисунок 4.	Четыре модуля LTM4676 могут обеспечить нагрузку током 100 А.

Заключение

Цифровые устройства управления питанием компании Linear Technology предоставляют все критически необходимые данные. Через цифровую шину пользователи получают информацию о токе нагрузки, входном токе, выходных напряжениях, расчетной мощности потребления и КПД, а также имеют доступ к другим параметрам управления мощностью. Это делает возможной прогнозную аналитику, минимизирует операционные затраты, повышает надежность и позволяет реализовать интеллектуальное управление энергией.

Цифровой мониторинг и управление питанием системы, основанные на использовании LTM4676, сокращают количество необходимых компонентов и упрощают топологию печатной платы, ускоряя оценку характеристик, накопление данных и оптимизацию системы на этапах макетирования, освоения производства и эксплуатации изделия.

Материалы по теме

1. Datasheet Linear Technology LTM4676.