DC/DC轉(zhuǎn)換器空間受限的解決方案

世界正在縮小，而相應(yīng)的電子設(shè)備也隨之縮小，隨著電路功能的增強(qiáng)和密度的提高，PCB的占位面積成為首要的元素。PCB主要被應(yīng)用的核心功能元件，如微處理器、FPGA、ASIC及其相關(guān)的高速數(shù)據(jù)路徑和支持元件所占用。必需的，然而卻是人們不想要的供電電源被強(qiáng)制壓縮到剩下的有限空間里。此外，隨著功能性和密度的提高，功耗勢(shì)必會(huì)相應(yīng)的增長(zhǎng)。具有同等重要性的另一因素是易于設(shè)計(jì)及其魯棒性。這些就為電源設(shè)計(jì)者帶來了一個(gè)挑戰(zhàn)，即如何在有限的區(qū)域提供更多的電源，同時(shí)保證一個(gè)通用而簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。

盡管如此，這恰恰是賦予IR第三代負(fù)載點(diǎn) (POL) 集成型穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)者的任務(wù)。他們完成了一系列集成了MOSFET的DC-DC步降式降壓轉(zhuǎn)換器，滿足1A至25A寬范圍的電流輸出。

這一解決方案凝聚了三個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新：IC開關(guān)穩(wěn)壓器電路設(shè)計(jì)、高效MOSFET和IC封裝。首先，為了允許將開關(guān)頻率增加到1MHz或更高，同時(shí)仍然在高輸入電壓比如12V下運(yùn)行，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)新的專利型調(diào)制器模塊，可以產(chǎn)生極小的無抖動(dòng)的開通脈沖。例如，將12V輸入電源轉(zhuǎn)換為1V輸出電壓，開關(guān)頻率為1MHz,脈沖寬度僅為83ns,因而只能承受非常小的抖動(dòng)。

而標(biāo)準(zhǔn)的PWM方案通常具有大約30-40ns的抖動(dòng)，因而在這種應(yīng)用條件下不可用。圖1a清楚地說明了這一點(diǎn)，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換器中脈寬的抖動(dòng)引起脈寬跳變進(jìn)而導(dǎo)致輸出紋波過大。與此相反，圖1b中顯示，第3代的SupIRBuck中采用的專利型PWM調(diào)制器，在相同的條件下，提供了干凈的、得到良好控制的輸出紋波。在第3代的SupIRBuck系列內(nèi)的PWM調(diào)制器僅產(chǎn)生了4ns的抖動(dòng)，相比于標(biāo)準(zhǔn)的解決方案(圖2)減少了90%.這就帶來了雙重效益，即將輸出電壓紋波降低大約30%,并且允許在1MHz或更高頻率/更高帶寬下運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)更小的尺寸，更好的瞬態(tài)響應(yīng)，及更少的輸出電容。

圖 1: 1MHz、16Vin、0.7Vout應(yīng)用條件下，輸出紋波性能(a)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器(b)IR第三代SupIRBuck

圖 2: 脈寬抖動(dòng)對(duì)比

新產(chǎn)品家族集成了IR公司的功率MOSFET及一個(gè)內(nèi)部產(chǎn)生的6.8V柵極驅(qū)動(dòng)。這就使得第三代SupIRBuck系列產(chǎn)品，無需任何額外的外部電路，即可以獲得市場(chǎng)領(lǐng)先的效率(圖3)，優(yōu)于通常將柵極驅(qū)動(dòng)限定在5V的傳統(tǒng)解決方案。

圖 3: 5V和6.8V柵極驅(qū)動(dòng)的效率比較

采用標(biāo)準(zhǔn)封裝技術(shù)進(jìn)行散熱，對(duì)于在1A -16A電流范圍的小功率電流軌而言是足夠的。然而，對(duì)于高功率軌，如25A電流，為了實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)領(lǐng)先的散熱性能，例如溫升低至50oC同時(shí)還要提供25A的電流時(shí)，IR采用了專用的封裝(圖4)。同步MOSFET翻轉(zhuǎn)成為“源極向下 (Source down) ”放置，而控制MOSFET保持著傳統(tǒng)的“漏極向下 (drain down) ”放置。大部分熱量在同步MOSFET的源極產(chǎn)生，因而能夠立即傳導(dǎo)出封裝，并傳導(dǎo)到接地層，而不是像競(jìng)爭(zhēng)解決方案那樣通過硅片來傳導(dǎo)?？刂芃OSFET的源極是由一個(gè)單獨(dú)的銅夾連接到同步MOSFET的漏極，而銅夾又與開關(guān)結(jié)點(diǎn)相連。這將有助于從控制MOSFET傳導(dǎo)熱量并在MOSFET和開關(guān)結(jié)點(diǎn)之間提供極低的電氣連接阻抗。

圖 4: 專利型封裝為IR3847 (25A) 提供最大的導(dǎo)熱導(dǎo)電性

由于采用銅夾的新型增強(qiáng)散熱型封裝，和高于1MHz開關(guān)頻率的創(chuàng)新控制技術(shù)，以及IR最新一代的12.5 MOSFET,IR3847可在25A的電流下工作而不需要任何散熱器，而且，與采用控制器和功率MOSFET的分立式解決方案相比，PCB的尺寸縮減了70%.目前，使用IR3847,一個(gè)完整的25A電源解決方案可以在小達(dá)168 mm2的面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)。(圖5)

圖 5: 利用IR3847 (25A) 實(shí)現(xiàn)的PCB縮減

全新第三代的SupIRBuck系列的運(yùn)行結(jié)溫是-40oC至125oC,符合工業(yè)市場(chǎng)的要求。它們可用于單輸入電壓 (5V-21V)，或者在提供了5V外部偏壓的情況下， 輸入電壓范圍1V-21V的電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用場(chǎng)合。第三代SupIRBucks具有集成了精確死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)功能，使得效率損失最小化，并具有一個(gè)靈敏的內(nèi)部LDO,用以在整個(gè)負(fù)載范圍上優(yōu)化效率。[!--empirenews.page--]

對(duì)于大電流應(yīng)用必不可少的真實(shí)的差分遠(yuǎn)程檢測(cè)(僅適用于IR3847)(圖6);在25°C至105°C的溫度范圍內(nèi)，0.5%的基準(zhǔn)電壓精度;輸入前饋以及極低的脈寬抖動(dòng)相結(jié)合，使總輸出電壓精度在整個(gè)輸入、負(fù)載和溫度條件下超過3%.其他先進(jìn)的功能包括外部時(shí)鐘同步、時(shí)序、跟蹤、輸出電壓裕量、預(yù)偏置起動(dòng)能力、輸入電壓感知使能、可調(diào)過壓保護(hù)和內(nèi)部軟啟動(dòng)。

第三代SupIRBucks通過一個(gè)專門引腳 (VSNS)，來檢測(cè)真實(shí)的輸出電壓。因此提供了一個(gè)可靠的解決方案，以保證在各種條件下都可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，尤其是當(dāng)反饋線路壞掉的情況，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品那樣的災(zāi)難性的過壓后果。

圖 6:IR3847 (25A) 的真實(shí)差分遠(yuǎn)程檢測(cè)

開關(guān)結(jié)點(diǎn)處的尖峰電壓是引致MOSFET電應(yīng)力的一個(gè)主要來源。完全的單片電路產(chǎn)品，MOSFET和控制器都被集成到同一個(gè)硅片，因而對(duì)于尖峰電壓特別敏感。這些類型的產(chǎn)品通常通過降低輸入電壓和開關(guān)結(jié)點(diǎn)電壓以避免MOSFET過應(yīng)力。然而，降低這些參數(shù)的等級(jí)在許多應(yīng)用中都不適用。

更為可靠的方法是將控制器芯片從MOSFET硅片中分離出來。因而MOSFET可以采用更高的電壓工藝制程，達(dá)到更高的電壓等級(jí)，來承受更高的電壓尖峰，而同時(shí)控制器可以采用較低的電壓工藝。第三代SupIRBucks即采用了這種方法，其中3個(gè)分立式硅片(控制器、同步MOSFET和控制MOSFET)在封裝上被集成在一起(圖7)。因而提供了更高水平的魯棒性。

圖 7:控制器和MOSFET的封裝級(jí)集成，比單硅片方案提高了魯棒性

利用全新第三代SupIRBuck系列，IR解決了發(fā)熱和空間都受限的高密度電源應(yīng)用的挑戰(zhàn)，而且在負(fù)載范圍內(nèi)總的輸出電壓精度高于3%.競(jìng)爭(zhēng)器件通常只有5%或稍高的精度。通過顯著降低脈寬的抖動(dòng)，使最小脈寬短至50ns,第3代SupIRBuck提供了更高的閉環(huán)帶寬，從而實(shí)現(xiàn)了更好的瞬態(tài)響應(yīng)和更小的輸出電容。

客戶對(duì)于電源最佳性能和密度的需求永不妥協(xié)。第三代SupIRBuck系列產(chǎn)品通過簡(jiǎn)易化的設(shè)計(jì)流程滿足了這些需求并走的更遠(yuǎn)。相同的引擎和功能都在這個(gè)系列中的每個(gè)產(chǎn)品中加以復(fù)制，因此設(shè)計(jì)者可以馬上熟悉所有產(chǎn)品并在每款產(chǎn)品上重復(fù)使用相同的設(shè)計(jì)方法。有些產(chǎn)品的腳位兼容以便于替換使用，這使得設(shè)計(jì)者能針對(duì)不同功率等級(jí)的產(chǎn)品做出快速修改。

此外，免費(fèi)的在線設(shè)計(jì)工具可以加快設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速問市。該工具提供原理圖，物料清單，仿真和熱性能參數(shù)，并允許用戶定制化設(shè)計(jì)輸入，包括元件選擇，PCB布局走線和輸入電壓(圖9)。

圖 8:第3代SupIRBuck產(chǎn)品系列

圖 9:SupIRBuck在線設(shè)計(jì)和仿真工具

結(jié)語

典型地，復(fù)雜的應(yīng)用需要多路電源來為多個(gè)子系統(tǒng)供電，而且每路電源由于輸出電壓或輸出電流的不同，而有些微小規(guī)格差異。電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)是找到一個(gè)通用的設(shè)計(jì)平臺(tái)，易于在寬電流范圍進(jìn)行擴(kuò)展，同時(shí)實(shí)現(xiàn)占位空間最小化、頻率最大化及工業(yè)級(jí)的魯棒性。