- 探討滿足DC-DC功率轉(zhuǎn)換要求的電源管理方案
- 了解先進嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器的要求
- 對工作在網(wǎng)絡中的DC-DC轉(zhuǎn)換器進行優(yōu)化
- 采用現(xiàn)代嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)方案
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(zhuǎn)換器的系統(tǒng)架構(gòu)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(guān)要求。本文主要探討了DC-DC應用中轉(zhuǎn)換器功率級選擇的影響。
先進嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)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(nèi)核和I/O結(jié)構(gòu)以準確的順序提供單獨的電壓，以避免閂鎖現(xiàn)象的發(fā)生。
嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器必須具有出色的效率。這類轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)損耗的電源開關(guān)。不過鑒于器件的導通阻抗RDSON越低，寄生電容乃至開關(guān)損耗就越高，最終功耗也越高，故必需進行一定的權(quán)衡取舍。嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器的另一個主要要求是EMI必需低。這些轉(zhuǎn)換器產(chǎn)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(guān)損耗）轉(zhuǎn)換大電流（若負載所需）不可避免地會產(chǎn)生很大的開關(guān)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(guān)注功率級元件選擇和布局的優(yōu)化，尤其是在驅(qū)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(shù)的數(shù)字IC可能需要1.2V±40mV的電源電壓。根據(jù)該DSP的數(shù)據(jù)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(guān)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?qū)Ｓ糜布韴?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(zhuǎn)換器來改善噪聲性能，真正充分利用這些轉(zhuǎn)換器的分辨率和帶寬。這些趨勢催生出具有眾多相倚關(guān)系的復雜的功率管理系統(tǒng)。
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模塊化控制提升系統(tǒng)設計
一個應用建議是把DC-DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的動態(tài)特性。“分布式”功率管理系統(tǒng)應運而生，在這種系統(tǒng)中，所有轉(zhuǎn)換器都理想地彼此相連。能夠與其它轉(zhuǎn)換器在網(wǎng)絡中協(xié)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可以與外部柵極驅(qū)動器（如FD1505）和分立式MOSFET，或是集成了驅(qū)動器與MOSFET的單封裝DrMOS產(chǎn)品協(xié)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(zhuǎn)換器，所選的架構(gòu)可實現(xiàn)多達8個相位的電流共享，而且可在輸出功率較低時實現(xiàn)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?shù)臄?shù)字控制環(huán)路，支持高達1.4MHz的開關(guān)頻率。時鐘同步可協(xié)助提升EMI性能。對于同時需要集成式驅(qū)動器和分立式外部MOSFET的應用，F(xiàn)D2006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(zhuǎn)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(shù)字轉(zhuǎn)換器，如FD2106 （6A max），象Digital-DC系列的其它產(chǎn)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(zhuǎn)換器一起使用。對獨立式應用而言，由于不需要與系統(tǒng)內(nèi)其它轉(zhuǎn)換器連接，還可以采用集成式轉(zhuǎn)換器（如飛兆半導體的FAN2106）。
數(shù)字功率管理系統(tǒng)的控制器和轉(zhuǎn)換器鏈可通過圖形用戶接口來控制，很容易對所有參數(shù)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(jīng)由USB接口與控制器連接。當參數(shù)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。
[page]1.帶驅(qū)動器和MOSFET的分立式解決方案現(xiàn)在仍在普遍使用。為滿足所有設計要求，現(xiàn)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(chǎn)品，可獲得高系統(tǒng)性能。MOSFET實現(xiàn)了首先采用MLP封裝（見圖3所示）。其Power56和Power33產(chǎn)品系列采用最新的PowerTrench技術(shù)，能夠同時提供超低RDSon和低Qg，從而適用于高開關(guān)頻率應用。鍵合技術(shù)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(chǎn)品組合采用SyncFET集成了肖特基二極管，在實現(xiàn)高開關(guān)性能的同時降低了熱耗。
FDMS9600S在一個不對稱的Power56封裝內(nèi)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(xiàn)小尺寸的緊湊型PCB設計（圖4）。
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帶有Power56 MOSFET和SO-8驅(qū)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(jīng)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(guān)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(guān)將使功率級設計更迅速易行。除了Digital-DC系列的FD2106之外，F(xiàn)AN210x 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）。
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(xiàn)今的MOSFET、DrMOS或柵極驅(qū)動器，一般可獲得相當好的結(jié)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(shù)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(jié)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(lián)的，并影響PCB的最高溫度，而這通常正是限制因素（若結(jié)到管殼熱阻抗低，結(jié)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(quán)衡是開關(guān)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(guān)頻率來減小無源元件的尺寸），更低的開關(guān)頻率有助于降低開關(guān)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(xiàn)。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(nèi)層來協(xié)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）。
對于強迫空氣對流式的系統(tǒng)，元件布局時需注意的是，不要把轉(zhuǎn)換器放在其它更大尺寸元件的“風陰影”里。建議把控制器置于MOSFET的上游，這樣不會增加多少功耗，而在較低外殼溫度下工作更可靠。
小結(jié)
現(xiàn)代嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器受益于眾多不同的技術(shù)方案，能夠提高系統(tǒng)性能和可靠性，并降低成本。在獨立式轉(zhuǎn)換器或互連數(shù)字轉(zhuǎn)換器之間的控制端上，以及在集成式或分立式解決方案之間的功率級端上的相倚關(guān)系顯示出，可以對工作在網(wǎng)絡中的DC-DC轉(zhuǎn)換器進行優(yōu)化，并獲得最低功耗。
