浅谈负载点电源(POL)

负载点电源POL,即Point-of-Load(负载旁边的电源)。一般我们会把负载点电源尽量靠近负载放置, 这么做可以最大限度地确保供电效率和准确性。
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图 1 常见POL电源的拓扑结构

:one: 为什么要把电源尽量靠近负载放置?

特别对于大电流的负载,我们可能需要考虑PCB走线电阻和寄生参数对于传输效率的影响。

:black_medium_small_square: 比较不同宽度PCB走线对于传输效率的影响:
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图 2 不同PCB走线宽度下的电压降

较宽的PCB走线的确可以降低PCB走线上的电压降,但是我们还要考虑寄生参数。
寄生电感会抑制负载变化时电流di/dt的动态变化,恶化瞬态响应。而寄生电容会导致电压下降。
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图 3 PCB走线寄生电感/电容

根据ADI LTspice® 模型, 上图中的50mm PCB走线估计电感约为14.1 nH。


图 4寄生电感/电容对于瞬态响应的影响(图片来源于ADI)

如上图所示,寄生电感会抑制瞬态负载变化时电流di/dt的动态变化,从而恶化瞬态响应,而寄生电容会导致电压下降。

:black_medium_small_square: POL 理想的PCB走线

如下图,POL理想的PCB走线。
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图 5 POL理想的PCB走线(图片来源于ADI)

POL应尽量靠近负载,走线短而宽, 从而将PCB电阻和寄生参数的影响降至最低。

总结, 把电源尽量靠近负载放置, 有利于减小PCB走线电阻和寄生参数,从而最大限度地确保供电效率和准确性。


:two: POL 设计实例

由于要求POL电源和负载的距离尽可能短。在设计时,我们必须要注意POL电源的PCB占地面积以及散热设计,以保证方案的可行性。

:black_medium_small_square: POL 电源的PCB占地面积

传统电源方案可能体积会很大,而专门的POL方案会尽可能减少电源的体积。

:black_small_square: 传统方案:控制器+外部MOS管

传统方案只要靠近负载放置,也可以解决大电流负载的问题。但是往往体积会很大。

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图 6 传统方案:控制器+外部MOS管 (图片来源于ADI)

:black_small_square: POL 方案:控制器+内部FET

比如使用:LTC3310S 专门为POL设计的芯片,很大程度上减少了PCB板的占地面积。

LTC3310S为负载供高达10 A,
尺寸:3 mm×3 mm,内含有MOS管

支持5MHz高频操作,可以使用更小的输出电容

我们来看看LTC3310S的表现

假设:3.3V转1.2V,2MHz,输出电容:110uF,电感:100nH

负载从1A变化到9A,负载电流上升速度:1A/us

下图显示了LTC3310S在负载从1A变化到9A的输出表现。
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图 7 LTC3310S在负载从1A变化到9A的输出表现(图片来源于ADI)

使用110µF输出电容即可实现,8 A负载变化导致输出电压偏移小于±40 mV

还有一个必须要解决的,高性能单片POL的确可以节省很多空间,但是可能也会导致发热量过高。因此,需要良好的散热设计。

:black_medium_small_square: 良好的散热设计:

良好的PCB板设计可以帮助散热。
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图 8 LTC3310S 推荐接地平面设计 (来源于LTC3310S数据手册)

对于常见的两层PCB板,可以加大地平面,并且在发热量大的关键区域,设置热通孔,加快热的传导。除此之外,还可以通过温度检测,到达相应温度后主动关断电路来防止芯片过热。比如,LTC3310S自带温度检测的功能,如果温度超过某一阈值,电路会自己关断。

下面,我们来看优化散热设计之后,LTC3310S的实际温度:

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图 9 LTC3310S发热量 (图片来源于ADI)

LTC3310S 3.3V转0.6V,5A
表面温度:101.6℃
节点温度:102.2℃
PCB表面温度:96.7℃

最后,把电源尽量靠近负载放置, 有利于减小PCB走线的电阻和寄生参数,从而最大限度地确保供电效率和准确性。对于POL设计,减小POL电源PCB占地面积,优化散热设计,是POL设计的重中之重。