混合集成電路DC/DC變換器的設計與應用

傳統(tǒng)的采用分離器件設計的電源變換電路具有很多缺點：電路設計與開發(fā)周期冗長；由于具有較高的寄生參數(shù)，電路性能較低；所設計電路具有較大的解決方案尺寸；器件選型困難；分離器件較多，系統(tǒng)電路存在可靠性問題。

但隨著技術的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了混合集成電路設計的概念，從而克服了采用分離器件設計電路所存在的問題?；旌霞呻娐稤C/DC系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的用分離器件設計的電源變換電路系統(tǒng)來說，具有高性價比、高可靠性、高速度、設計周期短等一系列的優(yōu)點。

本文結合Fairchild公司設計的系列產(chǎn)品，對混合集成電路DC/DC變換器的設計原理、性能及應用等進行了分析研究。

混合集成電路DC/DC變換器的集成化設計方案

根據(jù)用戶需求和設計的目的不同，F(xiàn)airchild公司推出的混合集成電路DC/DC變換器主要采用兩種設計方案。而每一種設計方案，電路的設計上又有細微的差別，可以滿足不同用戶的需要。

1 混合集成電路DC/DC變換器設計方案1

在混合集成電路DC/DC變換器中，內(nèi)部電路集成了控制器、驅動器和MOSFET等三種離散器件。對于每一類產(chǎn)品，其內(nèi)部電路設計采用的離散器件可以包括三種離散器件中的全部或部分，具體的設計可根據(jù)用戶的實際需要進行設計?；旌霞呻娐稤C/DC變換器設計方案1的電路原理如圖1所示。

圖1  混合集成電路DC/DC變化器設計方案1

從混合集成電路DC/DC變換器設計原理圖可以看出，該電路中主要包括控制器、驅動器和MOSFET等有源器件模塊。在實際使用時，電源輸出端需要外接電感、電容等器件對輸出電壓信號進行濾波；同時，輸出的電壓信號需要接到電路的反饋引腳上，以保證電路的正常工作。

采用本方案設計的混合集成電路DC/DC變換器含有控制器、驅動器和MOSFET等有源器件，其整機效率可以高達95%，電源變換系統(tǒng)性能高，相對于標準模塊具有更高的性價比。

采用本方案設計的混合集成電路DC/DC變換器產(chǎn)品有FAN5029、FAN5069等。器件寄生效應低，輸出電壓紋波低，溫度范圍寬。

2 混合集成電路DC/DC變換器設計方案2

混合集成電路DC/DC變換器設計方案2是在一片混合集成電路DC/DC的設計中采用了兩片專用或優(yōu)化了MOSFET的同步BUCK電源轉換拓撲結構，其電路原理如圖2所示。

圖2  混合集成電路DC/DC變化器設計方案2

采用方案2設計的混合集成電路DC/DC變換器中，兩個MOSFET器件具有互補的作用，以降低開關損耗，而這兩個器件的設計位置可根據(jù)設計者的實際需要進行布局。該芯片還內(nèi)置直通保護電路，可以有效防止電路上下橋臂的直通，大大地提高了電路的可靠性。在驅動電路設計部分，不僅比常規(guī)的電源變換設計增加了驅動能力，減少MOSFET的開通關斷損耗，還把Boost-trap二極管也集成在芯片內(nèi)部，以簡化外部用戶系統(tǒng)電路的設計。

DC/DC變換器的電壓輸出端需要外接電感和電容，對輸出電壓信號進行濾波，以滿足用戶系統(tǒng)電路的需要。變換器輸出的電壓信號需要接到芯片的反饋引腳上，以保證電路的正常工作。

采用此方案設計的混合集成電路DC/DC變換器產(chǎn)品有FDMF6700、FDMF8700等。器件中采用驅動集成電路加兩個功率MOSFET的設計方法，寄生效應極低，輸出電壓紋波低，工作溫度范圍寬，且節(jié)省了大量的板空間。

接口設計

采用Fairchild公司DC/DC變換器方案設計的電源變換器具有較大的電壓輸入范圍，可根據(jù)需要在3.3～24V之間調(diào)整，該公司DC/DC變換器的輸出電流可達到30A，輸出電壓范圍根據(jù)需要可設計為高到輸入電壓的90%或低到0.8V。

Fairchild公司的DC/DC變換器除了基本的電壓輸入、輸出端口外，一般還有HDRV（上橋臂MOSFET驅動引腳）、LDRV（下橋臂MOSFET驅動引腳）、GLDO（門驅動信號引腳）、DISB（禁止信號引腳）、PWM（脈寬調(diào)制信號引腳）、BOOT（反饋信號引腳）等信號端口，具體到各型器件則會有微小的差異。

功耗情況

消費類電子產(chǎn)品由于使用環(huán)境以及自身條件的限制，用戶對所選用器件的功耗要求非?？量蹋绕涫请娫醋儞Q器等便攜式設備。

以Fairchild公司的產(chǎn)品為例，其混合集成電路DC/DC變換器采用集成化方案設計，并力求減小MOSFET的開通關斷損耗，整機效率可高達95%。由于該變換器具有較高的轉換效率，因此內(nèi)部電路熱損耗低，在實際使用中只需要使用較小的散熱器或不用散熱器，從而可以降低系統(tǒng)電路的總體設計成本。

封裝形式與尺寸

由于數(shù)碼相機、攝像設備、媒體播放器、桌面電腦等電子設備的外型力求小巧，因此這類產(chǎn)品對內(nèi)部電路設計中器件的選用也同樣要求小巧而高效。

很多電源公司都采用了更小更薄的封裝形式，以節(jié)省系統(tǒng)電路的設計空間。如Fairchild 公司的FAN5069采用TSSOP-16封裝形式，尺寸僅為1.1mm×5mm×6.4mm；FDMF8700采用SMD封裝形式，尺寸僅為0.8mm×8mm×8mm。

混合集成電路DC/DC變換器的在系統(tǒng)應用

混合集成電路DC/DC變換器在系統(tǒng)電路中應用時，需要提供必要的外接器件和控制信號。

在變換器的輸入端，需要輸入合適的控制信號及直流電壓，以保證電路內(nèi)部的各分離器件按設計的意圖工作。同時，為了濾除輸入電壓信號上的噪聲，建議在輸入電壓和地之間接入旁路電容，其容值應大于1μF。

在變換器的電壓輸出端需要接入合適參數(shù)的電感、電容，以濾除輸出電壓上的噪聲?；旌霞呻娐返妮敵鲭妷盒枰ㄟ^自舉電容接到電路的反饋引腳，以保證電路能夠正常工作。

混合集成電路FDMF8700為Fairchild公司推出的采用混合集成電路設計方案2的一種產(chǎn)品，其特點有：輸入電壓典型值12V，開關頻率最大可達500kHz，輸出電流最大可達30A，器件內(nèi)在的適應性門驅動，內(nèi)部集成的自舉二極管，器件最高效率大于90%，低壓鎖定，輸出電壓可禁止，采用微型SMD封裝形式，產(chǎn)品制造使用無鉛材料。FDMF8700電源變換器的典型應用電路如圖3所示。

圖3  FDMF8700電源變化器的典型應用電路圖

圖3的電路中，DISB端為輸出禁止信號，可以方便地開關整個電源。PWM端為脈寬調(diào)制信號，用來驅動上橋臂和下橋臂的MOSFET，V_IN和V_CIN端為輸入電壓信號，V_OUT端為輸出電壓信號，輸出電壓通過自舉電容C_BOOT反饋到變換器的BOOT端。詳細電路設計請參照該芯片的技術說明書。

上圖應用電路中輸入信號和各外接器件參數(shù)的選取可根據(jù)用戶實際需要來具體確定。

結語

本文以Fairchild推出的系列產(chǎn)品為例對混合集成電路DC/DC變換器的設計與應用進行了分析研究。

由于分散式電源系統(tǒng)需要重復布線，尤其是當電路中需要的低壓直流電源種類較多，如+5V、12V等，則電源布線多而繁瑣，混合集成電路DC/DC變換器的應用可以在單一母線電壓（如+24V）供電的情況下，根據(jù)電路的實際需要，提供各種低壓直流工作電源。

混合集成電路DC/DC的應用已涉及到各行各業(yè)，在普通消費領域、航空航天與汽車領域都得到了廣泛的應用。