产生高输出电流时输出低电压的降压DC/DC转换器模块介绍

在基于云的数据中心和RAID阵列中使用的许多机架安装系统中，低DC总线电压（例如3.3 V或5.0 V）是首选的主配电轨。为了在这些系统的主板上为FPGA，DSP处理器和其他ASIC等负载点（POL）IC供电，低直流母线电压必须进一步降低至2.5 V或更低，并能够提供高负载当前。此外，由于空间限制和热管理挑战，应用要求具有必须超快的负载阶跃响应的紧凑封装具有高转换效率。从本质上讲，这些系统板正在寻找完整的非隔离高效DC/DC解决方案，并占用PC板上非常小的空间。

为了满足系统设计人员的这些和其他严格要求，德州仪器（TI），凌力尔特公司（Linear Technology）和Intersil等供应商已经准备好使用最少数量外部的集成降压DC/DC转换器模块无源器件。

德州仪器（TI）已经发布了许多适合这些需求的简单切换器。其中一个解决方案是LMZ31520，一个20 A DC/DC转换器，可提供0.6 V至3.6 V的可调输出电压，效率高达96％。高功率Simple Switcher采用薄型QFN封装（图1）中的功率MOSFET，屏蔽电感和无源元件，仅使用三个外部元件即可提供具有低输出电压的完整降压DC/DC模块。

图1：TI集成简易开关LMZ31520的功能框图。

使用VADJ和AGND引脚之间的外部电阻RSET，可以很容易地将LMZ31520的输出电压从0.6 V调节到3.6 V.产品数据手册中的表格分别为输入PVIN为12 V，5 V和3.3 V的欧姆提供了计算的RSET值。推荐的开关频率为500 kHz，可通过保持FREQ_SEL引脚开路来配置。事实上，同一产品数据表中的另一个表提供了各种RFREQ电阻值的开关频率值，当它连接在FREQ_SL引脚与PGND或V5V引脚之间时。

从3.3 V电源供电

由于目前几种应用必须使用3.3 V电源轨，因此较低输入电压的DC/DC转换器正变得越来越流行。虽然这种电源可以有效地切换较低的输入电压，但它们仍然需要更高的偏置电压来驱动一些内部电路。因此，从3.3 V轨道容易产生更高偏置电压的能力变得越来越重要。为了简化这项任务，TI提供TPS60151，一个输入范围为2.7 V至5.5 V的电荷泵。因此，它可以将3.3 V输入升压至5.0 V输出，电流高达150 mA。由于空间非常重要，它采用紧凑的2 x 2 mm QFN封装。

因此，当从3.3 V总线为LMZ31520供电时，TPS60151可用于为转换器模块产生偏置电压如图2所示。为此，LMZ31520提供两个输入引脚PVIN和VIN。引脚PVIN专为开关电压输入而设计，引脚VIN处理输入偏置电压。由于输入切换电压PVIN是转换为较低输出电压的电压，因此需要更高的电流。同样，输入偏置电压VIN为器件的内部电路供电，并且它需要相对少量的电流。

图2：当输入电压为3.3 V时，电荷泵TPS60151为LMZ3器件产生5.0 V偏置电压使用5.0 V总线为转换器供电时，输入对PVIN和VIN引脚都是通用的。在这种情况下，两个引脚连接在一起，形成一个5.0 V或更高的输入，如图3所示。可以看出，对于1.2 V输出，RSET值为1.43kΩ，FREQ-SEL引脚打开开关频率为500 kHz。

图3：输入电压为4.5 V或更高时使用LMZ31520的典型应用原理图在这种情况下，引脚PVIN和VIN连接在一起以进行公共输入。

对于输出端要求高于20 A的应用，TI提供引脚兼容版本LMZ31530。作为Simple Switcher LMZ3系列的一员，其输入和输出电压规格与LMZ31520相似，能够提供高达30 A的输出电流。

两个版本都具有超快速负载阶跃响应。数据表显示，对于2.5 A/μs负载步长，IOUT为25％至75％，恢复时间为30μs。同样，降压型Simple Switcher模块旨在提供高达96％的转换效率。

其他来源

如果您的应用需要在低输入和输出电压下输出电流略低，凌力尔特公司已准备好LTM4611， μModule稳压器，采用纤巧的15 x 15 x 4.32 mm LGA封装，提供完整的开关模式DC/DC解决方案。如图4所示，它使用一些输入和输出电容，在1.8 V至5.5 V的输入电压下以高效率提供高达15 A的电流。另外，μModule的低输出电压可在0.8 V和5.0 V之间调节通过外部电阻RSET。对于1.5 V输出，RSET为69kΩ，如图所示。产品数据表中的表格提供各种输出电压的RSET值。内置差分读出放大器可确保输出电压在输入电压VIN的300 mV范围内严格调节。

图4：线性μModule稳压器LTM4611使用少量外部无源器件从输入提供完整的15 A开关模式降压DC/DC解决方案 - 1.5 V至5.5 V的电压范围。输出电压1.5 V，由外部电阻RSET设置。

根据供应商的说法，高开关频率和电流模式架构使转换器能够提供对线路和负载变化的非常快速的瞬态响应，而不会影响稳定性。该器件的数据表显示，对于动态负载步骤，该单元可以在40μs内稳定下来。从低负荷到满负荷，整体效率优于91％，峰值为94％。

另一种低输入和低输出集成降压转换器解决方案，但输出电流较低，来自Intersil。它的ISL8203M是一个6 A版本，只需要几个外部组件即可完成解决方案。与其他产品一样，它在紧凑的QFN封装中集成了PWM控制器，同步开关MOSFET，电感器和无源元件，可最大限度地提高效率并最大限度地减少外部元件数量。 ISL8203M的电源电压范围为2.85 V至6.0 V，优化用于产生低至0.8 V的低输出电压。降压转换器的双输出可以组合在一起，从单个低输出电压获得6 A，如图所示图5.功率模块的效率最高可达95％，瞬态响应速度很快。

图5：ISL8203M是一个集成的降压模块转换器模块经过优化，可在中等输出电流下产生低输出电压。

总结

对于需要高输出电流的POL应用低压输入，许多半导体供应商已准备好集成的降压DC/DC转换器模块，可提供低输出电压，高效率和超快响应。更重要的是，这些集成模块采用封装，占用PC板上占用的空间很小。