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(yīng)用的內(nèi)核功能，這些應(yīng)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(yīng)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(fù)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(kuò)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(qiáng)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(yùn)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)的PWM機(jī)制通常會產(chǎn)生30~40ns的抖動，對于這些應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)并采用了更少量的輸出電容。

圖3: 抖動比較