比較可堆疊 DCDC 降壓轉(zhuǎn)換器和多相控制器的功率密度

TI 比較了可堆疊 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器和多相控制器的功率密度，著眼于尺寸、散熱、效率和成本。

鑒于能夠有效支持大于 30 A 輸出電流的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器數(shù)量有限，設(shè)計(jì)工程師主要依靠帶有外部場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 的多相降壓控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)大電流應(yīng)用。

具有集成金屬氧化物半導(dǎo)體 FET (MOSFET) 的新型負(fù)載點(diǎn) DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器可以在與多個(gè)轉(zhuǎn)換器互連時(shí)實(shí)現(xiàn)高輸出電流，也稱為堆疊。堆疊轉(zhuǎn)換器使設(shè)計(jì)人員能夠在大電流應(yīng)用中利用 FET 集成的優(yōu)勢(shì)。

在本文中，我將使用WEBENCH 電源設(shè)計(jì)器來(lái)比較一個(gè)設(shè)計(jì) — 使用德州儀器 (TI) 雙相TPS40425 DC/DC 控制器和外部功率級(jí) — 第二個(gè)設(shè)計(jì)使用兩個(gè) 40-A TPS546D24A堆疊集成FET DC/DC 轉(zhuǎn)換器，同樣來(lái)自 TI。WEBENCH Power Designer 是一個(gè)端到端的在線設(shè)計(jì)工具，可以根據(jù)用戶的要求創(chuàng)建定制的電源電路。

本文中引用的所有設(shè)計(jì)以及從所述設(shè)計(jì)中收集的數(shù)據(jù)都將從 WEBENCH 工具中收集。基于控制器和基于轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)都具有相同的輸入電壓 (12 V)、輸出電壓 (1 V)、開(kāi)關(guān)頻率 (550 kHz) 和輸出電流 (50 A)。我將比較最終的尺寸、散熱、效率和成本;討論兩種設(shè)備類型的優(yōu)點(diǎn);并強(qiáng)調(diào)為什么一種設(shè)計(jì)架構(gòu)可能在某些設(shè)計(jì)場(chǎng)景中具有優(yōu)勢(shì)。

功率密度

功率密度定義為每單位體積的功率輸出量度。對(duì)于希望創(chuàng)建能夠在更小區(qū)域內(nèi)提供更高電流的設(shè)計(jì)的工程師來(lái)說(shuō)，更高的功率密度非常有價(jià)值。為了比較面積，WEBENCH Power Designer 工具的尺寸優(yōu)化設(shè)置適用于兩種設(shè)計(jì)。WEBENCH 將設(shè)計(jì)區(qū)域定義為集成電路 (IC)、所有外部組件以及組件的所有必要禁止區(qū)域的占位面積之和。當(dāng)優(yōu)先考慮最小面積和高功率密度時(shí)，可堆疊降壓轉(zhuǎn)換器比多相降壓控制器具有明顯優(yōu)勢(shì)。

例如，TPS40425 控制器設(shè)計(jì)產(chǎn)生的總面積為 916 mm 2，而兩個(gè)堆疊 TPS546D24A 轉(zhuǎn)換器的相同優(yōu)化設(shè)置產(chǎn)生的總面積為 802 mm 2。這 14.2% 的面積減少是因?yàn)閮蓚€(gè)轉(zhuǎn)換器都集成了 MOSFET。在控制器設(shè)計(jì)中，兩個(gè)外部功率級(jí)的占位面積各為 56 mm 2，而轉(zhuǎn)換器在 IC 內(nèi)完全集成了等效 FET。

當(dāng)堆疊轉(zhuǎn)換器以實(shí)現(xiàn)更高電流時(shí)，轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的尺寸優(yōu)勢(shì)開(kāi)始減弱，因?yàn)槊總€(gè)單獨(dú)的轉(zhuǎn)換器都集成了控制器和 MOSFET。換句話說(shuō)，對(duì)于每個(gè)新堆疊的轉(zhuǎn)換器，都有一個(gè)控制器占用更多的電路板空間。對(duì)于一個(gè)控制器，您只需要添加更多的功率級(jí)，同時(shí)保留一個(gè)控制器 IC。因此，在控制器設(shè)計(jì)中添加更多功率級(jí)比在轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中堆疊轉(zhuǎn)換器需要更少的電路板空間。

目前不可能堆疊超過(guò)四個(gè)轉(zhuǎn)換器，這限制了可堆疊轉(zhuǎn)換器可以輸出的電流量。具有外部功率級(jí)的多相控制器設(shè)計(jì)可以輸出更高的電流。

在某個(gè)時(shí)刻，TPS546D24A 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)開(kāi)始產(chǎn)生比控制器設(shè)計(jì)更大的面積。單個(gè) TPS546D24A 轉(zhuǎn)換器以 40A 的最大輸出電流和 550kHz 的開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行，其設(shè)計(jì)面積約為 585 mm 2。估計(jì)兩個(gè)或多個(gè)堆疊轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)面積與一個(gè)轉(zhuǎn)換器的面積成比例。例如，在將兩個(gè)轉(zhuǎn)換器堆疊在一起的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)面積約為 2 × (585 mm 2 ) = 1,170 mm 2。

堆疊多達(dá)4個(gè)TPS546D24A轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生160 A的總輸出電流，但TPS40425控制器只能達(dá)到80的最大負(fù)載電流 A. 相反，讓我們比較一下TPS546D24A轉(zhuǎn)換器的大小與六相TPS53667控制器的大小，后者的最大輸出電流為160 A.

堆疊三個(gè)轉(zhuǎn)換器時(shí)，堆疊轉(zhuǎn)換器的尺寸優(yōu)勢(shì)明顯減弱，堆疊四個(gè)轉(zhuǎn)換器時(shí)的設(shè)計(jì)面積大于控制器設(shè)計(jì)。我已經(jīng)做了一些近似值，這些近似值會(huì)影響此比較的確切足跡測(cè)量。轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)假設(shè)每個(gè)堆疊轉(zhuǎn)換器 IC 都包含幾個(gè)模式選擇電阻器。實(shí)際上，在堆疊設(shè)計(jì)中，最多只有一個(gè)轉(zhuǎn)換器需要這些電阻器。

TPS53667控制器使用了6個(gè)功率級(jí)，而在TPS546D24A轉(zhuǎn)換器中集成了四個(gè)總功率級(jí)。理想情況下，四堆疊轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)將直接比較四相控制器設(shè)計(jì)，只需要四個(gè)功率級(jí)，而不是六級(jí)，這將產(chǎn)生一個(gè)更小的尺寸。轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)大于六相控制器設(shè)計(jì)的事實(shí)表明，在更大的堆棧數(shù)量下，尺寸受到損害的程度。盡管有這些近似，您可以期望可堆疊轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)在堆疊四次時(shí)失去與多相控制器相比的尺寸優(yōu)勢(shì)。

效率

效率很大程度上取決于選擇的 FET 或位于開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的功率級(jí)，無(wú)論它是集成的還是位于外部。將 TPS546D24A 可堆疊轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的效率與使用 CSD95372BQ5M 外部功率級(jí)的 TPS40425 多相降壓控制器設(shè)計(jì)進(jìn)行比較時(shí)，您可以看到兩種設(shè)計(jì)在 50A 時(shí)的效率非常相似：轉(zhuǎn)換器為 89.5%，轉(zhuǎn)換器為 89.9%控制器。效率與負(fù)載電流關(guān)系圖表明，控制器設(shè)計(jì)的總體效率往往更高，直到負(fù)載電流約為 55A。

CSD95372AQ5M外部功率級(jí)的優(yōu)勢(shì)在于其推薦的最大工作開(kāi)關(guān)頻率為 2,000 kHz，因此選擇更高的開(kāi)關(guān)頻率需要較少的妥協(xié)。與轉(zhuǎn)換器中的集成 FET 相比，外部功率級(jí)可以在更高的開(kāi)關(guān)頻率下保持更高的效率。如果您的設(shè)計(jì)不需要在更高的開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行，您可以將功率級(jí)換成 CSD95327BQ5M，它具有更高的效率但成本更高，并且對(duì)輸入電壓噪聲的容忍度更低。當(dāng)優(yōu)化效率成為優(yōu)先事項(xiàng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以自由選擇最佳外部功率級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

功率損耗直接影響效率。同步降壓轉(zhuǎn)換器中功率損耗的一個(gè)重要來(lái)源是 MOSFET 損耗，它由傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗組成。傳導(dǎo)損耗由 MOSFET 的導(dǎo)通電阻和晶體管的均方根電流決定。開(kāi)關(guān)損耗包括幾個(gè)部分：MOSFET 開(kāi)關(guān)損耗(高側(cè)和低側(cè))、MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)損耗、低側(cè)體二極管損耗和 MOSFET 輸出電容損耗。特定應(yīng)用的所選輸入?yún)?shù)(例如輸入電壓、輸出電壓、輸出電流和開(kāi)關(guān)頻率)會(huì)影響這兩種損耗的大小?？刂破髟O(shè)計(jì)中的外部功率級(jí)使設(shè)計(jì)人員能夠選擇一個(gè)功率級(jí)，以最大限度地減少總功率損耗并最大限度地提高其特定應(yīng)用的效率。

不幸的是，不可能進(jìn)一步在轉(zhuǎn)換器中優(yōu)化集成的fet，這使您無(wú)法達(dá)到與效率優(yōu)化的控制器設(shè)計(jì)相同的效率。然而，您可以為轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的易于使用提供一個(gè)理由。在控制器設(shè)計(jì)中，最小化功率損失的時(shí)間可能不值得效率上的邊際效益。

熱耗散

散熱是一種印刷電路板(PCB)功率損耗的形式，它會(huì)影響設(shè)計(jì)的效率。有效的散熱最大限度地增加在PCB上傳導(dǎo)熱的銅面積。在直流/直流降壓控制器和轉(zhuǎn)換器布局中，熱源來(lái)自多相控制器和功率級(jí)。一種能產(chǎn)生更多功率密度的設(shè)計(jì)往往會(huì)有更差的散熱效果。

由于TPS546D24A轉(zhuǎn)換器集成了功率級(jí)和控制器，所以熱產(chǎn)生的來(lái)源僅來(lái)自兩個(gè)轉(zhuǎn)換器集成電路，其占地面積為126 mm2。控制器設(shè)計(jì)從主控制器IC電路和兩個(gè)外部功率級(jí)產(chǎn)生熱量，其占地面積為178 mm2?？刂破髟O(shè)計(jì)比變頻器設(shè)計(jì)更能散熱41%，因此在理論上，控制器設(shè)計(jì)往往具有更好的熱性能。設(shè)計(jì)成本

讓我們使用電源設(shè)計(jì)器的成本優(yōu)化功能來(lái)比較優(yōu)化設(shè)置下每個(gè)設(shè)計(jì)的成本和大小，并從電源設(shè)計(jì)器生成材料清單(BOM)成本。

當(dāng)對(duì)成本進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，TPS546D24A轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的BOM成本低于TPS40425控制器設(shè)計(jì)的BOM成本。當(dāng)優(yōu)化尺寸時(shí)，TPS546D24A轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的解決方案尺寸為802 mm2，但總BOM成本為36.32美元。尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)要求小輸入的大容量電容器，占20.52美元，或超過(guò)BOM總成本的50%。如果最小化成本是最優(yōu)先的，您可以將大容量電容器替換為成本較低但具有更高的設(shè)計(jì)方案。

優(yōu)化成本可以使BOM減少59%，但可以權(quán)衡增加29%的規(guī)模。這種權(quán)衡是否值得取決于應(yīng)用程序，但很明顯，成本優(yōu)化的設(shè)計(jì)比尺寸優(yōu)化的設(shè)計(jì)更接近于更平衡的設(shè)計(jì)。

在這種情況下，成本降低來(lái)自使用具有更大尺寸的低成本輸入電容器。由于控制器設(shè)計(jì)不需要任何大容量電容器，因此兩種優(yōu)化之間的成本和占位面積差異不大。尺寸優(yōu)化的控制器設(shè)計(jì)成本比轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)成本低 29%，但要大 14%。這很重要，因?yàn)槔?，如果您的設(shè)計(jì)對(duì)成本敏感并且不需要絕對(duì)最小尺寸，您可以選擇尺寸優(yōu)化的控制器設(shè)計(jì)，而不是更昂貴的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。如果您可以承受大于 1,000 mm 2的占位面積，則成本優(yōu)化轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)提供了更平衡的解決方案，與成本優(yōu)化控制器設(shè)計(jì)相比，總 BOM 成本更低，占位面積更小。

采購(gòu)也是考慮成本時(shí)的一個(gè)因素。可堆疊式轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化了采購(gòu)過(guò)程，因?yàn)殡娫措A段的集成意味著設(shè)計(jì)師必須只保留一個(gè)IC的庫(kù)存，而不是一個(gè)IC及其電源階段。一個(gè)設(shè)備的大規(guī)模采購(gòu)可以進(jìn)一步降低更大的價(jià)格，盡管差異可能沒(méi)有那么顯著。控制器在采購(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)在于提供電力級(jí)、fet和驅(qū)動(dòng)程序的各種供應(yīng)商。

結(jié)論

總體而言，可堆疊轉(zhuǎn)換器通?？梢詫?shí)現(xiàn)更小的尺寸，即使在優(yōu)化成本時(shí)也不會(huì)受到影響。多相降壓控制器提供更好的散熱和效率，同時(shí)讓設(shè)計(jì)人員可以自由定位和選擇自己的功率級(jí)。在有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中使用轉(zhuǎn)換器可以優(yōu)先考慮降低成本和尺寸。當(dāng)您需要高效率和卓越的熱性能，或者您的設(shè)計(jì)需要非常高的電流時(shí)，多相控制器非常適合。