淺析高性能和高密度大電流POL設(shè)計解決方案

所有的電子產(chǎn)品都像我們這個世界一樣正在不斷縮小。隨著電路功能和集成度的提高，PCB板的空間變得彌足珍貴。主要的板空間要分配給應用的內(nèi)核功能，這些應用包括微處理器、FPGA、ASIC以及與其相關(guān)的高速數(shù)據(jù)通道和支持元件。雖然設(shè)計者并不想這樣做，但是電源卻必須壓縮到剩下的有限空間之內(nèi)。功能和密度的增加，耗電也相應增加。這就為電源設(shè)計者帶來了一個很大的挑戰(zhàn)，即如何以更小的占位提供更高的電源？

答案說起來非常簡單：提高效率并同時提高開關(guān)頻率。而實際上，這卻是一個很難解決的問題，因為更高的效率和更高開關(guān)頻率是互相排斥的。盡管如此，IR公司IR3847大電流負載點（POL）集成穩(wěn)壓器的設(shè)計者還是開發(fā)出來了采用集成型MOSFET的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可以在一個緊湊的5×6 mm封裝中（如圖1），將IR第三代SupIRBuck系列的額定電流擴展到25A.

圖1：IR3847 5x6 mm QFN封裝

這一解決方案拉動了三個領(lǐng)域的共同創(chuàng)新：IC封裝、IC開關(guān)穩(wěn)壓器電路設(shè)計和高效MOSFET.由于最新的熱增強型封裝采用銅片，控制器中的創(chuàng)新是針對大于1MHz開關(guān)頻率的控制器和IR的最新一代，即12.5代MOSFET，IR3847可以在無散熱器的情況下，在25A的電流下運行，與采用控制器和功率MOSFET的分立式解決方案相比，又將PCB的尺寸縮減了70%.利用IR3847（圖2），在一個小至168mm2的面積內(nèi)，現(xiàn)在可以實現(xiàn)完整的25A電源解決方案。

圖2：PCB面積的縮減

允許開關(guān)頻率提高到1MHz或者更高，但仍要采用高輸入電壓（如12V），這就需要一款新的專利型模塊架構(gòu)，產(chǎn)生極小的導通時間脈沖。例如，將輸出功率從12V轉(zhuǎn)換至1V的1MHz設(shè)計，要求具有83ns的脈沖寬度，這樣就可以容許極小的抖動。在這些條件下，標準的PWM機制通常會產(chǎn)生30~40ns的抖動，對于這些應用而言，這樣的抖動時間是沒有意義的。IR3847內(nèi)的PWM調(diào)制電路僅產(chǎn)生4ns的抖動，與標準解決方案（圖3）相比，縮減了90%.這就實現(xiàn)了雙贏，即將輸出電壓紋波降低約30%的同時，允許1MHz或更高的頻率/更高寬度的操作，實現(xiàn)了更小的尺寸、更好的瞬態(tài)響應并采用了更少量的輸出電容。

圖3：抖動比較

新器件集成了IR公司最新一代的功率MOSFET，從而為具有15A~25A的應用取得市場領(lǐng)先的電子性能，其峰值效率高于96%.為了達到市場領(lǐng)先的散熱性能，例如，在提供25A的電流時，溫度僅僅上升50°C的低值，采用了公司獨有的封裝（圖4）。同步MOSFET轉(zhuǎn)換到“源極在下”配置，同時控制MOSFET卻保持著傳統(tǒng)的“漏極在下”配置。大多數(shù)的熱量是在同步MOSFET源中產(chǎn)生的，并且立即傳導出封裝，并降至底平面，而不是像競爭解決方案那樣，是要經(jīng)過硅芯片。這就有助于從控制MOSFET中傳熱同時降低MOSFET間開關(guān)結(jié)點之間連接的電阻。

圖4：專利型封裝將熱傳導和電子傳導最大化

作為第三代SupIRBuck中的一員，這些器件符合工業(yè)市場中-40oC至125oC的工作結(jié)溫要求。它可能針對單輸入電壓（5V~21V）操作進行配置，或者當提供5V的外部偏壓時，將輸入功率從1V轉(zhuǎn)換至21V.IR3847具有后部封裝高精度死區(qū)時間微調(diào)功能，將效率損耗降至最低，而且內(nèi)部智能LDO可以實現(xiàn)整個負載范圍上的效率優(yōu)化。真正的差分遠程檢測對于大電流應用（圖5）至關(guān)重要，在25°C至105°C的溫度范圍上，實現(xiàn)0.5%的基準電壓精度，輸入前向和超低抖動相結(jié)合，可以實現(xiàn)整個線壓、負載和溫度上高于3%的整體輸出電壓精度。其它高級特性還包括外部時鐘同步、定序、追蹤、輸出電壓容限、預偏壓啟動性能、實現(xiàn)輸入電壓感知、可調(diào)節(jié)OVP引腳和內(nèi)部軟啟動。IR3847還具有采用專業(yè)檢測引腳（VSNS）的真正的輸出電壓檢測。這就提供了一個強勁的解決方案，可以保證在所有條件下都可以對輸出電壓進行監(jiān)測，特別是出現(xiàn)反饋線纜斷開的情況，否則，就會導致在傳統(tǒng)競爭產(chǎn)品出現(xiàn)的嚴重的過壓問題。

圖5：差分遠程檢測

除此之外，還要關(guān)注對于布局的簡化，并使設(shè)計更加強勁以免受噪聲的干擾。例如，通過對引腳輸出進行優(yōu)化，實現(xiàn)對于旁通電容器實現(xiàn)簡易的布置，并通過三線引腳，選擇電流限度，這樣就降低了對于芯片的噪聲注入并節(jié)省了電容器，最終簡化了布局。

利用帶有真正差分遠程檢測功能的大電流IR3847，IR解決了受到散熱和空間限制的高密度和大電流應用方面的挑戰(zhàn)。當與標準的分立解決方案相比時，IR3847將PCB占位空間降低了70%，僅要求具有168mm2的PCB占位面積，以提供25A的電流并在負載端的右側(cè)，總的輸出電壓精度提高了3%.競爭器件一般僅具有5%或更低的精度。通過為脈沖寬度的抖動時間大幅度降低50 ns，IR3847實現(xiàn)了更高的閉環(huán)帶寬，最終實現(xiàn)了更好的瞬態(tài)響應和更低的輸出電容。