中心議題：

• 探討DC-DC轉換器功率級的選擇要求

解決方案：

• 模塊化控制提升系統設計
• 帶驅動(dòng)器和MOSFET的分立式解決方案

本文主要探討了DC-DC應用中轉換器功率級選擇的影響。

先進(jìn)嵌入式DC-DC轉換器的要求

許多工業(yè)系統,如測試測量設備,都需要嵌入式DC-DC轉換器,是因為這些應用所需的計算能力日益增加。這種計算能力由DSP 、FPGA 、數字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(lèi)器件在不斷的進(jìn)步。另一方面,這也帶來(lái)了三大要求：第一,電源電壓越來(lái)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 通常需要為內核和I/O結構以準確的順序提供單獨的電壓,以避免閂鎖現象的發(fā)生。

嵌入式DC-DC轉換器必須具有出色的效率。這類(lèi)轉換器的可用空間很小,對于熱設計尤其具有挑戰性,因為嵌入式轉換器主要依賴(lài)PCB 上元件周?chē)你~面積來(lái)改善系統熱阻抗。由于功耗與電流的平方成正比,隨著(zhù)負載電流的增加,這種情形會(huì )更加惡化。因此這時(shí)需要低導通阻抗RDSON、低開(kāi)關(guān)損耗的電源開(kāi)關(guān)。不過(guò)鑒于器件的導通阻抗RDSON越低,寄生電容 乃至開(kāi)關(guān)損耗就越高,最終功耗也越高,故必需進(jìn)行一定的權衡取舍。嵌入式DC-DC轉換器的另一個(gè)主要要求是EMI必需低。這些轉換器產(chǎn)生的噪聲會(huì )對周?chē)碾娐吩斐筛蓴_,因而必須盡可能地小。不過(guò),高速 (以降低開(kāi)關(guān)損耗) 轉換大電流 (若負載所需) 不可避免地會(huì )產(chǎn)生很大的開(kāi)關(guān)噪聲,包括傳導噪聲和輻射噪聲 (主要是磁場(chǎng))。因此,必需特別關(guān)注功率級元件選擇和布局的優(yōu)化,尤其是在驅動(dòng)器連接方面。此外,PWM控制拓撲也有一定影響。

舉例來(lái)說(shuō),采用0.09μm技術(shù)的數字IC可能需要1.2V ± 40mV的電源電壓。根據該DSP的數據表,其電源電流可高達952mA。另一個(gè)例子是65nm工藝制造的大尺寸FPGA,1.0V +/-50mV電源電壓、85℃時(shí),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(kāi)關(guān)頻率下,動(dòng)態(tài)要求非常高。

這些應用中包含多個(gè)不同IC相當常見(jiàn),譬如,由一個(gè)較小的微控制器 (電源電壓較高時(shí)) 來(lái)負責所有的接口和主機功能,利用一個(gè)較大的DSP或專(zhuān)用硬件來(lái)執行計算密集型功能。很多時(shí)候,還專(zhuān)門(mén)使用另有一套電壓要求的高性能A/D轉換器來(lái)改善噪聲性能,真正充分利用這些轉換器的分辨率和帶寬。這些趨勢催生出具有眾多相倚關(guān)系的復雜的功率管理系統。

模塊化控制提升系統設計

一個(gè)應用建議是把DC-DC轉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(xiàn)跡所占用的板空間,并改進(jìn)轉換器的動(dòng)態(tài)特性。“分布式”功率管理系統應運而生,在這種系統中,所有轉換器都理想地彼此相連。能夠與其它轉換器在網(wǎng)絡(luò )中協(xié)同工作的一個(gè)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(guò)SMBus (系統管理總線(xiàn)) 與主控制器和其它DC-DC轉換器相連接,輕松實(shí)現許多不同的功能,如轉換器的系統內配置、上電順序、余量功能 (margining)、故障保護以及系統監控。所有這些功能都有助于縮短上市時(shí)間,更重要的是,提高系統可靠性。

FD2004可以與外部柵極驅動(dòng)器 (如FD1505) 和分立式MOSFET ,或是集成了驅動(dòng)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用中通過(guò)電阻 來(lái)編程—特別地,輸出電壓的最大值由電阻設定,且利用軟件命令設定的電壓最大值不得超過(guò)10%以上,以保護負載。在需要較大電流的應用中,如多相轉換器,所選的架構可實(shí)現多達8個(gè)相位的電流共享,而且可在輸出功率較低時(shí)實(shí)現切相 (phase shedding) 來(lái)保持高效率。該款控制器基于帶自適應性能算法和環(huán)路補償的數字控制環(huán)路,支持高達1.4MHz的開(kāi)關(guān)頻率。時(shí)鐘同步可協(xié)助提升EMI性能。對于同時(shí)需要集成式驅動(dòng)器和分立式外部MOSFET的應用,FD2006也是個(gè)不錯的選擇。

對輸出電流較低的系統電壓,集成式DC-DC轉換器值得推薦,此時(shí),PCB面積和易于使用都是最重要的考慮因素。數字轉換器,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換器一起使用。對獨立式應用而言,由于不需要與系統內其它轉換器連接,還可以采用集成式轉換器 (如飛兆半導體 的FAN2106)。

數字功率管理系統的控制器和轉換器鏈可通過(guò)圖形用戶(hù)接口來(lái)控制,很容易對所有參數和系統性能監控進(jìn)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。當參數全都良好時(shí),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了。

如圖2所示的DC-DC功率級可采用不同方式設計,以同時(shí)獲得最佳電氣性能和熱性能。[page]

圖2
 

1.帶驅動(dòng)器和MOSFET的分立式解決方案現在仍在普遍使用。為滿(mǎn)足所有設計要求,現在飛兆半導體提供的采用小尺寸熱性能增強型MLP(QFN) 封裝的產(chǎn)品,可獲得高系統性能。MOSFET實(shí)現了首先采用MLP封裝(見(jiàn)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(shí)提供超低RDSon 和低Qg,從而適用于高開(kāi)關(guān)頻率應用。鍵合技術(shù)可減小封裝的電感 ,提高封裝有限的ID ,適用于大電流應用。其低端FET產(chǎn)品組合采用SyncFET集成了肖特基二極管 ,在實(shí)現高開(kāi)關(guān)性能的同時(shí)降低了熱耗。

　
圖3
 

FDMS9600S在一個(gè)不對稱(chēng)的Power56封裝內集成了一個(gè)高端FET和一個(gè)低端SyncFET,可進(jìn)一步提高熱性能,并實(shí)現小尺寸的緊湊型PCB設計 (圖4)。

圖4
 

2.上述帶驅動(dòng)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(mǎn)足不同的設計要求。而評估板則可協(xié)助設計人員熟悉應用,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驅動(dòng)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(gè)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(dòng),這種解決方案可使電流高達30A,并針對最高1MHz的開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化。甚至在大電流設計中即使考慮到熱設計規則,也無(wú)需散熱器,因系統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(kāi)關(guān)將使功率級設計更迅速易行。除了Digital-DC系列的FD2106之外,FAN210x TinyBuck系列也可為3A FAN2103和6A FAN2106應用提供全集成同步降壓功能 (圖8)。

　
圖8
 

整個(gè)IC采用MLP封裝,大小僅5x6mm,有助于設計的緊湊性,同時(shí)可實(shí)現最佳熱性能和高效率。

更高的集成度乍看似乎會(huì )導致更高的材料清單 (BOM) 成本,但綜合考慮所有的優(yōu)勢,如節省空間、熱性能更好、無(wú)源元件更少等,事實(shí)上反而會(huì )降低最終的系統成本。這樣一種全集成的解決方案還支持高系統可靠性,因為元件越少意味著(zhù)故障風(fēng)險越低,而且考慮到熱設計規則,更低的系統溫度也十分重要。

在設計任務(wù)中,熱設計是非常重要的一環(huán)。利用現今的MOSFET、DrMOS或柵極驅動(dòng)器,一般可獲得相當好的結到管殼熱阻抗,但管殼到周?chē)h(huán)境的熱阻抗取決于設計,且通常要高得多。在大多數系統中,若只利用PCB,熱阻抗 (管殼到周?chē)h(huán)境) 在40K/W左右,最好的設計能夠達到25K/W 這仍比結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的熱設計非常重要,因為這兩個(gè)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 (若結到管殼熱阻抗低,結溫就不可能比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(gè)DrMOS器件) 是首選。另一個(gè)權衡是開(kāi)關(guān)頻率―如果不是因EMI要求或空間限制而預先確定 (利用更高的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減小無(wú)源元件的尺寸),更低的開(kāi)關(guān)頻率有助于降低開(kāi)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(guò)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(shí)現。更大的銅面積很有用,但又會(huì )消耗PCB空間。這些應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(shí)利用內層來(lái)協(xié)助散熱。熱通孔 (填充焊料) 有時(shí)可用來(lái)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,元件布局時(shí)需注意的是,不要把轉換器放在其它更大尺寸元件的“風(fēng)陰影”里。建議把控制器置于MOSFET的上游,這樣不會(huì )增加多少功耗,而在較低外殼溫度下工作更可靠。

小結

現代嵌入式DC-DC轉換器受益于眾多不同的技術(shù)方案,能夠提高系統性能和可靠性,并降低成本。在獨立式轉換器或互連數字轉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轉換器進(jìn)行優(yōu)化,并獲得最低功耗。