设计面向高级数据系统的高效、高功率 DC/DC 电源架构

对于需要 3.3V 或更低输入电压的数字组件，可采用一种不同的方法

在人们不断追求更高的系统工作效率和性能的过程中，数据存储和通信系统中的数字及混合信号组件的工作输入电压呈现出日益走低的趋势。在许多场合中，此类系统内部的大多数组件所需的最大输入电压如今仅为 3.3V。在这种情况下，可以对传统的 5V 或 12V 中间电压轨进行旁路，并将 24VDC 或 48VDC 背板分配电压直接转换为一个 3.3V 的两用总线和电源轨。很多高功率 DC/DC 砖式模块供应商 (例如：Emerson 和 TDK-Lambda 公司) 已经认识到这一发展趋势，他们通过大幅提升其在高降压比操作中的性能轻松地实现了 92% 的效率指标。利用该 3.3V 中间总线，后续的负载点稳压器可产生更低的电压 (即：2.5V、1.2V、1.0V 等)，以用于给电源存储器、ASIC / FPGA 内核及高速 I/O 等等供电。

从中间总线进行直接转换可提供另一项优势，就是可以减少印刷电路板 (PCB) 中用于完成电源轨至负载布线所需的铜箔层数。以一块具有一个仅用作中间总线的 5V 电压轨的 PCB 为例，它包含两个用于支持 3.3V 和 1.8V 电压轨的 DC/DC 转换器。采用一根 3.3V 中间总线和单个 3.3V 至 1.2V 转换器重新设计的相同电路板将很有可能具有较少的铜箔层 (3 个电压轨现减为 2 个)。在电路板上最终形成的总体解决方案其尺寸是极具吸引力的，同时免除了将 5V 电位传送至 PCB 的某个完整部分的需要。在 PCB 的制造过程中尽可能减少铜箔层数的选项具有降低成本与节省材料的潜力，并有望改善良率及可靠性。

另外，对于从诸如超级电容器等后备电源来实现系统运作而言，较低电压的中间总线轨也是很合适的。与电池相比，超级电容器可支持较高的峰值电流、功率密度、较宽的工作温度范围和较低的 ESR，因而越来越多地被用作短时供电电源，以对电池后备系统提供补充。 由于超级电容器的最大充电电压仅为 2.3V 至 2.7V，因此，使用高效率的低输入电压降压型转换器能够最大限度地增加系统准备时间，以在主电源重新接通之后实现快速系统恢复。

传统解决方案的局限性
采用传统的 DC/DC 降压型解决方案时，开关稳压器或开关控制器需要一个大约 5V 的最小输入电压或偏置电压，用于驱动 N 沟道功率 MOSFET。在电流传导期间，需要利用该最小电压将功率 MOSFET 驱动至低导通电阻区域。对于改善工作效率 (特别是在网络及存储系统中经常遇到的大电流条件下) 的努力而言，导通电阻的任何增加都是不利的。对那些通过将中间轨电压降至最低的组件输入电源电压 (比如 3.3V) 以设法提高工作效率和降低生产成本的系统来说，所面临的挑战是如何最好地支持电流消耗通常仅为 50mA~100mA 的偏置电源 —— 增设一个 5V 输出高电压降压型稳压器；增设一个升压型转换器 (从 3.3V)；或者继续使用现有的 5V 中间总线。在组件数目、设计工作量、PCB 复杂性、可靠性、成本及工作效率方面，上述的选择方案均需要采取一些令人不快的折衷措施。

一种更好的替代解决方案
另一种旨在解决本文前面所提及的低工作输入电压难题的可选方案是 LTM4611 降压型 µModule® 稳压器。该器件隶属于一个新的 DC/DC 转换器系列，是从传统型开关电源管理解决方案发展而来，几乎将开关转换器的所有组件 (包括电感器) 都集成到了一个紧凑的表面贴装型封装之中。LTM4611 电源模块采用 1.5V 至 5.5V 的单工作输入电压轨，并将其降压为一个低至 0.8V 的输出电压，且可提供高达 15A 的输出电流。完全内置于一个 LGA 封装之内的自生成偏置电源可支持从单个低电压电源来运作。图 1 示出了一款针对全面运行的 15A 降压型解决方案的 LTM4611 电路原理图。由图可以明显地看出：该电路所需的外部组件极少，可实现紧凑型解决方案和简单的 PCB 布局。

图 1：一款完整的电压转换器原理图 (用于从 2.1V 至 5.5V 单输入运作以提供一个 1.8V/15A 输出)

工作效率比较
从效率的观点来证明传统三级降压架构的合理性是非常棘手的，因为分配电压轨与负载之间的每个降压级的效率都必须远远高于两级解决方案。图 2 示出了先前提出的 5V 中间总线选项以及利用 LTM4611 µModule 稳压器实现的 3.3V 中间总线。在这两种情况下，48V 降压均被模拟为一个 75W Emerson (前 Artesyn) 1/8 砖单输出转换器，其 1.8V 和 3.3V 电压轨承受着 10A 负载。在传统的三级降压架构中，5V 至 3.3V 和 5V 至 1.8V 降压型转换器被模拟为 µModule 稳压器系列中的另一款器件。

图 2：三级与两级降压架构示意图 (给出了各自在 10A 输出电流条件下完成从
48VDC 至 3.3VDC 及 1.8VDC 转换时的总功率损耗)