采用集成DC-DC轉(zhuǎn)換器的分布式電源系統(tǒng)介紹

傳統(tǒng)的分布式電源架構(gòu)采用多個隔離型DC-DC電源模塊將48V總線電壓轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)電源電壓，如5V、3.3V和2.5V。然而該配置很難滿足快速響應(yīng)的低壓處理器、DSP、ASIC以及DDR存儲器的負載要求。這類器件對電源提出了更加嚴格的要求：非?？斓乃矐B(tài)響應(yīng)、高效率、低電壓以及緊湊的電路板尺寸。

引言

通過使用單個大功率、隔離型DC-DC模塊將48V電壓轉(zhuǎn)換成一個中等電源，如12V或更低電壓，可以獲得較好的系統(tǒng)性能。將這一中等電壓再轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)負載所要求的具體電壓。這樣的電壓轉(zhuǎn)換可以通過非隔離、負載點電源實現(xiàn)，如圖1右側(cè)框圖所示。對于第二級電源轉(zhuǎn)換，集成開關(guān)穩(wěn)壓器是非常理想的選擇，因為輸入電壓(≤ 12V)和輸出電流(< 10A)相對較低。


圖1. 與電信單板上傳統(tǒng)的分布電源架構(gòu)(左邊)相比，集成開關(guān)調(diào)節(jié)器(右邊)具有更高效率和可靠性，能夠加快設(shè)計進程、縮小電路板面積。

采用集成開關(guān)調(diào)節(jié)器的優(yōu)勢

電子行業(yè)的很多領(lǐng)域，包括電源電子行業(yè)，其共同目標是集成系統(tǒng)元件，以降低總體成本、提高可靠性，并且盡可能縮小PCB面積。在過去的二十年，電源管理IC制造商開展了大量工作，在芯片內(nèi)部集成眾多功能，以滿足隔離、非隔離型DC-DC轉(zhuǎn)換應(yīng)用的需求。

集成開關(guān)電源在一個封裝中集成了MOSFET、柵極驅(qū)動器以及用于DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換的PWM控制器，這已不再是新的概念。當前所面臨的問題是如何提高這些器件的輸出電流能力以及增強此類器件的功能。它們非常適合現(xiàn)代通信單板中分布式電源所要求的緊湊、多通道負載點電源，能夠?qū)討B(tài)負載提供卓越的瞬態(tài)響應(yīng)。

為通信系統(tǒng)板設(shè)計、開發(fā)、測試電源會占用單板開發(fā)過程相當多的時間。除PCB布局所花費的時間外，電源開發(fā)中一個主要問題是解決布局相關(guān)的問題，這些問題包括：不合理的功率級布局、不恰當接地、將敏感的模擬走線布在電流和電壓快速變化的電源線附近、沒有為電壓和電流檢測提供開爾文連接、EMI超標、去耦電容的位置不正確等。當電源采用多個外圍分立元件時，這些問題中極有可能產(chǎn)生布板錯誤。

相反，集成開關(guān)調(diào)節(jié)器將功率級(MOSFET和柵極驅(qū)動器)和電流檢測功能集成到了器件內(nèi)部，從而消除了與PCB相關(guān)的諸多問題，進而避免了大部分布板問題。不僅如此，集成開關(guān)調(diào)節(jié)器的引腳配置在設(shè)計中也有意避開了元件布局和接地問題。集成開關(guān)調(diào)節(jié)器通常提供結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)過優(yōu)化與驗證的PCB布局，有助于縮短開發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市。

由于現(xiàn)代電信系統(tǒng)環(huán)境需要高性能、小尺寸設(shè)計，PCB空間變得更加緊張。將功率級和PWM控制器集成到芯片內(nèi)部能夠有效節(jié)省空間；集成開關(guān)調(diào)節(jié)器能夠工作在較高的工作頻率，允許使用小尺寸的輸入/輸出電容、電感及其它濾波電容，與分立方案相比，進一步節(jié)省了電路板空間。較高的工作頻率還能夠設(shè)計較寬的控制環(huán)路帶寬，支持快速負載瞬態(tài)響應(yīng)。

電源轉(zhuǎn)換效率是衡量電源性能的重要指標，這也是用開關(guān)電源替代線性穩(wěn)壓器的主要原因。當然，開關(guān)轉(zhuǎn)換器會引入較高的噪聲和EMI。開關(guān)電源的功耗包括：傳導(dǎo)損耗(與MOSFET導(dǎo)通電阻R_DS(ON)有關(guān))和開關(guān)損耗(與MOSFET在通、斷狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換速度有關(guān))。工作頻率較高時，開關(guān)損耗占主導(dǎo)地位，因為每秒鐘發(fā)生多次的MOSFET開、關(guān)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換時間取決于柵極驅(qū)動電路的阻抗，該電路控制MOSFET的開啟、關(guān)閉。對于采用分立MOSFET和柵極驅(qū)動器的電源來說，由于具有MOSFET引腳電感和引線電感等寄生參數(shù)，因此高頻時柵極驅(qū)動阻抗較大。集成開關(guān)調(diào)節(jié)器通過將柵極驅(qū)動器和MOSFET集成在單個封裝內(nèi)，降低了寄生元件，從而在高頻時提供更快的轉(zhuǎn)換時間和更好的效率。

熱管理是大型系統(tǒng)中電源設(shè)計的重要指標。在負載點架構(gòu)中，電源轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的熱量分布在各個集成開關(guān)調(diào)節(jié)器內(nèi)，而非集中在一個電源模塊。集成開關(guān)調(diào)節(jié)器效率越高，所產(chǎn)生的熱量越少。除此之外，集成開關(guān)調(diào)節(jié)器通常采用增強散熱封裝，將裸焊盤直接焊接在PCB上，并通過散熱過孔(直徑8mil至12mil)將熱量傳導(dǎo)至地平面(地平面將熱量擴散到整個單板，從而不需要使用龐大的散熱器)。最后，熱關(guān)斷電路直接控制集成開關(guān)電源，能夠在發(fā)生過熱時提供有效保護，避免器件損壞，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

集成開關(guān)調(diào)節(jié)器提供多種封裝以及較寬的輸入電壓(3V至12V)范圍和輸出電流(< 1A至10A)范圍。低功率器件的封裝有：SOT、MSOP以及TSSOP。大功率器件采用QFN、BGA等封裝形式，能夠耗散較大功率。

結(jié)論

集成開關(guān)調(diào)節(jié)器是現(xiàn)代電信系統(tǒng)中等電源總線的理想選擇。與基于分立MOSFET、柵極驅(qū)動器和控制器的調(diào)節(jié)器相比，集成方案可以大大縮短產(chǎn)品上市時間、節(jié)省空間、提高效率、簡化系統(tǒng)熱管理，并具有更高的可靠性。