滿足復雜DC-DC功率轉換要求的解決方案

時間：2008-11-17 21:55:00

關鍵字： DC-DC 功率轉換 MOSFET DC-DC轉換器

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引言

在測試測量設備或嵌入式計算等工業(yè)應用中，嵌入式DC-DC轉換器的系統(tǒng)架構可能相當復雜，在輸出電壓和電流、紋波、EMI及上電順序等許多不同方面都有相關要求。本文主要探討了DC-DC應用中轉換器功率級選擇的影響。

先進嵌入式DC-DC轉換器的要求

許多工業(yè)系統(tǒng)，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。這類轉換器的可用空間很小，對于熱設計尤其具有挑戰(zhàn)性，因為嵌入式轉換器主要依賴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。因此這時需要低導通阻抗RDSON、低開關損耗的電源開關。不過鑒于器件的導通阻抗RDSON越低，寄生電容乃至開關損耗就越高，最終功耗也越高，故必需進行一定的權衡取舍。嵌入式DC-DC轉換器的另一個主要要求是EMI必需低。這些轉換器產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 (以降低開關損耗) 轉換大電流 (若負載所需) 不可避免地會產生很大的開關噪聲，包括傳導噪聲和輻射噪聲 (主要是磁場)。因此，必需特別關注功率級元件選擇和布局的優(yōu)化，尤其是在驅動器連接方面。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，因在高開關頻率下，動態(tài)要求非常高。

這些應用中包含多個不同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或專用硬件來執(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轉換器來改善噪聲性能，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系的復雜的功率管理系統(tǒng)。

模塊化控制提升系統(tǒng)設計

一個應用建議是把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、減小寬的大電流線跡所占用的板空間，并改進轉換器的動態(tài)特性?！胺植际健惫β使芾硐到y(tǒng)應運而生，在這種系統(tǒng)中，所有轉換器都理想地彼此相連。能夠與其它轉換器在網絡中協同工作的一個控制器例子是FD2004，如圖1的模塊示意圖所示。

FD2004是Digital-DC產品系列的一員，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品，可通過SMBus (系統(tǒng)管理總線) 與主控制器和其它DC-DC轉換器相連接，輕松實現許多不同的功能，如轉換器的系統(tǒng)內配置、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可以與外部柵極驅動器 (如FD1505) 和分立式MOSFET，或是集成了驅動器與MOSFET的單封裝DrMOS產品協同工作。它還可以在獨立式應用中通過電阻來編程—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，所選的架構可實現多達8個相位的電流共享，而且可在輸出功率較低時實現切相 (phase shedding) 來保持高效率。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的開關頻率。時鐘同步可協助提升EMI性能。對于同時需要集成式驅動器和分立式外部MOSFET的應用，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。數字轉換器，如FD2106 (6A max)，象Digital-DC系列的其它產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(tǒng)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(tǒng)的控制器和轉換器鏈可通過圖形用戶接口來控制，很容易對所有參數和系統(tǒng)性能監(jiān)控進行修正。這種軟件運行在PC機上，并經由USB接口與控制器連接。當參數全都良好時，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計，以同時獲得最佳電氣性能和熱性能。

1.帶驅動器和MOSFET的分立式解決方案現在仍在普遍使用。為滿足所有設計要求，現在飛兆半導體提供的采用小尺寸熱性能增強型MLP(QFN) 封裝的產品，可獲得高系統(tǒng)性能。MOSFET實現了首先采用MLP封裝(見圖3所示)。其Power56和Power33產品系列采用最新的PowerTrench技術，能夠同時提供超低RDSon 和低Qg，從而適用于高開關頻率應用。鍵合技術可減小封裝的電感，提高封裝有限的ID ，適用于大電流應用。其低端FET產品組合采用SyncFET集成了肖特基二極管，在實現高開關性能的同時降低了熱耗。

FDMS9600S在一個不對稱的Power56封裝內集成了一個高端FET和一個低端SyncFET，可進一步提高熱性能，并實現小尺寸的緊湊型PCB設計 (圖4)。

2.上述帶驅動器和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)產品系列包括 8x8mm產品FDMD87xx和6x6mm產品FDMF67xx，可滿足不同的設計要求。而評估板則可協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)。

帶有Power56 MOSFET和SO-8驅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的開關頻率優(yōu)化。甚至在大電流設計中即使考慮到熱設計規(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。

3.最終全集成開關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)。

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

更高的集成度乍看似乎會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(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，而且考慮到熱設計規(guī)則，更低的系統(tǒng)溫度也十分重要。

在設計任務中，熱設計是非常重要的一環(huán)。利用現今的MOSFET、DrMOS或柵極驅動器，一般可獲得相當好的結到管殼熱阻抗，但管殼到周圍環(huán)境的熱阻抗取決于設計，且通常要高得多。在大多數系統(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，因為這兩個熱阻抗都是串聯的，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DrMOS器件) 是首選。另一個權衡是開關頻率―如果不是因EMI要求或空間限制而預先確定 (利用更高的開關頻率來減小無源元件的尺寸)，更低的開關頻率有助于降低開關損耗，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。更大的銅面積很有用，但又會消耗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，有時利用內層來協助散熱。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)。