中心議題：
- 探討DC-DC轉(zhuǎn)換器功率級的選擇要求
解決方案：
- 模塊化控制提升系統(tǒng)設(shè)計
- 帶驅(qū)動器和MOSFET的分立式解決方案
本文主要探討了DC-DC應(yīng)用中轉(zhuǎn)換器功率級選擇的影響。
先進嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器的要求
許多工業(yè)系統(tǒng),如測試測量設(shè)備,都需要嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器,是因為這些應(yīng)用所需的計算能力日益增加。這種計算能力由DSP 、FPGA 、數(shù)字ASIC 和微控制器 提供,而得益于工藝幾何尺寸的日益縮小,該類器件在不斷的進步。另一方面,這也帶來了三大要求：第一,電源電壓越來越低 (當然,還有容許的電壓紋波和負載變化);其次,電源電流逐漸變大;第三,這些IC 通常需要為內(nèi)核和I/O結(jié)構(gòu)以準確的順序提供單獨的電壓,以避免閂鎖現(xiàn)象的發(fā)生。
嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器必須具有出色的效率。這類轉(zhuǎn)換器的可用空間很小,對于熱設(shè)計尤其具有挑戰(zhàn)性,因為嵌入式轉(zhuǎn)換器主要依賴PCB 上元件周圍的銅面積來改善系統(tǒng)熱阻抗。由于功耗與電流的平方成正比,隨著負載電流的增加,這種情形會更加惡化。因此這時需要低導(dǎo)通阻抗RDSON、低開關(guān)損耗的電源開關(guān)。不過鑒于器件的導(dǎo)通阻抗RDSON越低,寄生電容 乃至開關(guān)損耗就越高,最終功耗也越高,故必需進行一定的權(quán)衡取舍。嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器的另一個主要要求是EMI必需低。這些轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的噪聲會對周圍的電路造成干擾,因而必須盡可能地小。不過,高速 (以降低開關(guān)損耗) 轉(zhuǎn)換大電流 (若負載所需) 不可避免地會產(chǎn)生很大的開關(guān)噪聲,包括傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲 (主要是磁場)。因此,必需特別關(guān)注功率級元件選擇和布局的優(yōu)化,尤其是在驅(qū)動器連接方面。此外,PWM控制拓撲也有一定影響。
舉例來說,采用0.09μm技術(shù)的數(shù)字IC可能需要1.2V ± 40mV的電源電壓。根據(jù)該DSP的數(shù)據(jù)表,其電源電流可高達952mA。另一個例子是65nm工藝制造的大尺寸FPGA,1.0V +/-50mV電源電壓、85℃時,需要4.2 A的閑置電源電流。在工作模式下,按照具體配置情況,電流可增至18A,因在高開關(guān)頻率下,動態(tài)要求非常高。
這些應(yīng)用中包含多個不同IC相當常見,譬如,由一個較小的微控制器 (電源電壓較高時) 來負責所有的接口和主機功能,利用一個較大的DSP或?qū)Ｓ糜布韴?zhí)行計算密集型功能。很多時候,還專門使用另有一套電壓要求的高性能A/D轉(zhuǎn)換器來改善噪聲性能,真正充分利用這些轉(zhuǎn)換器的分辨率和帶寬。這些趨勢催生出具有眾多相倚關(guān)系的復(fù)雜的功率管理系統(tǒng)。
模塊化控制提升系統(tǒng)設(shè)計
一個應(yīng)用建議是把DC-DC轉(zhuǎn)換器盡可能靠近負載放置。這樣做可以把EMI降至最低、減小寬的大電流線跡所占用的板空間,并改進轉(zhuǎn)換器的動態(tài)特性。“分布式”功率管理系統(tǒng)應(yīng)運而生,在這種系統(tǒng)中,所有轉(zhuǎn)換器都理想地彼此相連。能夠與其它轉(zhuǎn)換器在網(wǎng)絡(luò)中協(xié)同工作的一個控制器例子是FD2004,如圖1的模塊示意圖所示。
圖1
FD2004是Digital-DC產(chǎn)品系列的一員,整合了數(shù)字環(huán)路控制和高集成度功率管理功能。這種控制器及其同系列產(chǎn)品,可通過SMBus (系統(tǒng)管理總線) 與主控制器和其它DC-DC轉(zhuǎn)換器相連接,輕松實現(xiàn)許多不同的功能,如轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)內(nèi)配置、上電順序、余量功能 (margining)、故障保護以及系統(tǒng)監(jiān)控。所有這些功能都有助于縮短上市時間,更重要的是,提高系統(tǒng)可靠性。
FD2004可以與外部柵極驅(qū)動器 (如FD1505) 和分立式MOSFET ,或是集成了驅(qū)動器與MOSFET的單封裝DrMOS產(chǎn)品協(xié)同工作。它還可以在獨立式應(yīng)用中通過電阻 來編程—特別地,輸出電壓的最大值由電阻設(shè)定,且利用軟件命令設(shè)定的電壓最大值不得超過10%以上,以保護負載。在需要較大電流的應(yīng)用中,如多相轉(zhuǎn)換器,所選的架構(gòu)可實現(xiàn)多達8個相位的電流共享,而且可在輸出功率較低時實現(xiàn)切相 (phase shedding) 來保持高效率。該款控制器基于帶自適應(yīng)性能算法和環(huán)路補償?shù)臄?shù)字控制環(huán)路,支持高達1.4MHz的開關(guān)頻率。時鐘同步可協(xié)助提升EMI性能。對于同時需要集成式驅(qū)動器和分立式外部MOSFET的應(yīng)用,FD2006也是個不錯的選擇。
對輸出電流較低的系統(tǒng)電壓,集成式DC-DC轉(zhuǎn)換器值得推薦,此時,PCB面積和易于使用都是最重要的考慮因素。數(shù)字轉(zhuǎn)換器,如FD2106 (6A max),象Digital-DC系列的其它產(chǎn)品一樣具有通信功能,可與分立式MOSFET或基于DrMOS等能提供更大電流的轉(zhuǎn)換器一起使用。對獨立式應(yīng)用而言,由于不需要與系統(tǒng)內(nèi)其它轉(zhuǎn)換器連接,還可以采用集成式轉(zhuǎn)換器 (如飛兆半導(dǎo)體 的FAN2106)。
數(shù)字功率管理系統(tǒng)的控制器和轉(zhuǎn)換器鏈可通過圖形用戶接口來控制,很容易對所有參數(shù)和系統(tǒng)性能監(jiān)控進行修正。這種軟件運行在PC機上,并經(jīng)由USB接口與控制器連接。當參數(shù)全都良好時,它們被儲存在控制器的非易失性存儲器 中,這樣PC機就不再需要運行系統(tǒng)了。
如圖2所示的DC-DC功率級可采用不同方式設(shè)計,以同時獲得最佳電氣性能和熱性能。[page]
圖2
1.帶驅(qū)動器和MOSFET的分立式解決方案現(xiàn)在仍在普遍使用。為滿足所有設(shè)計要求,現(xiàn)在飛兆半導(dǎo)體提供的采用小尺寸熱性能增強型MLP(QFN) 封裝的產(chǎn)品,可獲得高系統(tǒng)性能。MOSFET實現(xiàn)了首先采用MLP封裝(見圖3所示)。其Power56和Power33產(chǎn)品系列采用最新的PowerTrench技術(shù),能夠同時提供超低RDSon 和低Qg,從而適用于高開關(guān)頻率應(yīng)用。鍵合技術(shù)可減小封裝的電感 ,提高封裝有限的ID ,適用于大電流應(yīng)用。其低端FET產(chǎn)品組合采用SyncFET集成了肖特基二極管 ,在實現(xiàn)高開關(guān)性能的同時降低了熱耗。
圖3
FDMS9600S在一個不對稱的Power56封裝內(nèi)集成了一個高端FET和一個低端SyncFET,可進一步提高熱性能,并實現(xiàn)小尺寸的緊湊型PCB設(shè)計 (圖4)。
圖4
2.上述帶驅(qū)動器和MOSFET的分立式解決方案也備有8x8mm或6x6mm MLP封裝的MCM(多芯片 模塊)。這些DrMOS(DriverMOS)產(chǎn)品系列包括 8x8mm產(chǎn)品FDMD87xx和6x6mm產(chǎn)品FDMF67xx,可滿足不同的設(shè)計要求。而評估板則可協(xié)助設(shè)計人員熟悉應(yīng)用,并測試性能以便與分立式解決方案相比較(圖5)。
圖5
帶有Power56 MOSFET和SO-8驅(qū)動器的分立式解決方案的板卡占位面積在120mm2左右,而MCM只需要64mm2或36mm2。后者模塊中的各個器件經(jīng)精心挑選并全面優(yōu)化,相比分立式解決方案其性能更高,熱性能也更好 (圖6和圖7)。受電腦行業(yè)的推動,這種解決方案可使電流高達30A,并針對最高1MHz的開關(guān)頻率優(yōu)化。甚至在大電流設(shè)計中即使考慮到熱設(shè)計規(guī)則,也無需散熱器,因系統(tǒng)中空氣流對于該芯片散熱是足夠的。[page]
圖6
圖7
3.最終全集成開關(guān)將使功率級設(shè)計更迅速易行。除了Digital-DC系列的FD2106之外,FAN210x TinyBuck系列也可為3A FAN2103和6A FAN2106應(yīng)用提供全集成同步降壓功能 (圖8)。
圖8
整個IC采用MLP封裝,大小僅5x6mm,有助于設(shè)計的緊湊性,同時可實現(xiàn)最佳熱性能和高效率。
更高的集成度乍看似乎會導(dǎo)致更高的材料清單 (BOM) 成本,但綜合考慮所有的優(yōu)勢,如節(jié)省空間、熱性能更好、無源元件更少等,事實上反而會降低最終的系統(tǒng)成本。這樣一種全集成的解決方案還支持高系統(tǒng)可靠性,因為元件越少意味著故障風險越低,而且考慮到熱設(shè)計規(guī)則,更低的系統(tǒng)溫度也十分重要。
在設(shè)計任務(wù)中,熱設(shè)計是非常重要的一環(huán)。利用現(xiàn)今的MOSFET、DrMOS或柵極驅(qū)動器,一般可獲得相當好的結(jié)到管殼熱阻抗,但管殼到周圍環(huán)境的熱阻抗取決于設(shè)計,且通常要高得多。在大多數(shù)系統(tǒng)中,若只利用PCB,熱阻抗 (管殼到周圍環(huán)境) 在40K/W左右,最好的設(shè)計能夠達到25K/W 這仍比結(jié)到管殼熱阻抗高很多,對MOSFET而言,后者的典型值為2K/W。因此,PCB的熱設(shè)計非常重要,因為這兩個熱阻抗都是串聯(lián)的,并影響PCB的最高溫度,而這通常正是限制因素 (若結(jié)到管殼熱阻抗低,結(jié)溫就不可能比PCB的高太多)。
對于更大的電流,為了讓熱量擴散到更大的表面上,多相的分立式解決方案(如2-3個DrMOS器件) 是首選。另一個權(quán)衡是開關(guān)頻率―如果不是因EMI要求或空間限制而預(yù)先確定 (利用更高的開關(guān)頻率來減小無源元件的尺寸),更低的開關(guān)頻率有助于降低開關(guān)損耗,并最終降低溫度。
至于版圖布局,金屬較多顯然很有助益。更厚的頂層有助于降低溫度,不過也許對PCB的其余部分并不適合,因為成本增加了,其它元件需要的更精細的間距也不可能實現(xiàn)。更大的銅面積很有用,但又會消耗PCB空間。這些應(yīng)該盡可能由焊料覆蓋,因為金屬表面比涂漆表面的散熱性更好。在多層PCB中,有時利用內(nèi)層來協(xié)助散熱。熱通孔 (填充焊料) 有時可用來把熱量擴散到PCB的另一面去 (圖9)。
圖9
對于強迫空氣對流式的系統(tǒng),元件布局時需注意的是,不要把轉(zhuǎn)換器放在其它更大尺寸元件的“風陰影”里。建議把控制器置于MOSFET的上游,這樣不會增加多少功耗,而在較低外殼溫度下工作更可靠。
小結(jié)
現(xiàn)代嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器受益于眾多不同的技術(shù)方案,能夠提高系統(tǒng)性能和可靠性,并降低成本。在獨立式轉(zhuǎn)換器或互連數(shù)字轉(zhuǎn)換器之間的控制端上,以及在集成式或分立式解決方案之間的功率級端上的相倚關(guān)系顯示出,可以對工作在網(wǎng)絡(luò)中的DC-DC轉(zhuǎn)換器進行優(yōu)化,并獲得最低功耗。
