POLA DC/DC模塊電源磚電路設(shè)計剖析(圖)

POLA模塊電源
板級電源設(shè)計的成熟度和可靠度直接影響著電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性。在設(shè)計復(fù)雜的板級DC/DC時，為了減小設(shè)計風(fēng)險，提高設(shè)計成熟度，加快開發(fā)一次成功率,越來越多的方案引入了DC/DC電源模塊。目前主流的DC/DC模塊電源生產(chǎn)商主要分為DOSA聯(lián)盟和POLA聯(lián)盟兩大陣營。

POLA模塊是非開放標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計,所以要深入分析電路有一定難度。但是考慮到POLA模塊電源的電路設(shè)計基本相同，所以筆者以PTH03030 POLA模塊電路為例,對其電路設(shè)計進(jìn)行了深度剖析。

PTH03030模塊電源總體架構(gòu)分析
PTH03030模塊電源是一種非隔離的POLA電源，可輸出30A電流，模塊面積大約9cm2，采用PCB多層板設(shè)計，可以滿足目前高密度板級電源的應(yīng)用需求，例如多處理器、高速DSP系統(tǒng)等。

PTH03030模塊采用高密度的雙面表貼設(shè)計，通過一個外接的電阻實現(xiàn)輸出電壓在0.8～2.5V之內(nèi)可調(diào)，輸出效率可以達(dá)到93%，工作溫度范圍為-40～+85℃。PTH03030模塊的產(chǎn)品外觀如圖1所示。

圖1 POLA PTH030模塊電源外觀圖

PTH03030模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，自動電壓跟蹤模塊能夠跟蹤電源電壓的上下電時序，實現(xiàn)輸出電壓時序控制；也可以實現(xiàn)成多個POLA模塊的輸出電壓互相追蹤，或者共同追蹤外部電壓的上下電時序。這個特點非常適合系統(tǒng)中需要多個電壓供電且對于上電先后順序有嚴(yán)格要求的板級電源設(shè)計方案。
ON/OFF使能模塊用于控制模塊電源的輸出，在需要單獨關(guān)閉部分板級電路功能的場合非常適用。

圖2 PTH03030模塊的系統(tǒng)模塊框圖

電壓輸出微調(diào)模塊支持輸出電壓降檢測和補償調(diào)節(jié)。該模塊還具有輸出電壓正偏或負(fù)偏的微調(diào)控制功能，可以使用在系統(tǒng)微調(diào)測試的場合。
PTH03030模塊保護(hù)功能比較齊全，可以實現(xiàn)過溫保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓鎖定保護(hù)。

PWM BUCK控制模塊設(shè)計分析

PTH03030H模塊的降壓PWM控制模塊（U3）的局部電路如圖3所示。

圖3 PTH03030H模塊的BUCK降壓PWM控制模塊電路圖

U3控制器內(nèi)部主要有基準(zhǔn)電源電路、軟啟動電路、300kHz振蕩電路、充電泵電路、過流檢測電路等。

U3內(nèi)部有0.8V的基準(zhǔn)電源，用來和輸出電壓的反饋端子PWM_FB進(jìn)行環(huán)路反饋比較。主流POLA模塊電源的輸出電壓最低值是0.8V。

U3的軟啟動電路可控制上電速率, 軟啟動延時時間大約為5～10ms，整個上電過程在15ms完成，典型軟啟動時間為6.5ms。在軟啟動功能運行時，TRACK管腳必須連接輸入電源電壓管腳，屏蔽POLA模塊的自動電壓跟蹤功能。此時，模塊電源的上電受內(nèi)部的軟啟動上電模塊控制。

U3內(nèi)部的充電泵電路主要通過外接C20電容實現(xiàn)低輸入電壓的提升,滿足內(nèi)部部分電路高電壓的要求。在3.3V輸入的條件下,需要C20啟動內(nèi)部充電泵；在5V輸入條件下，C20泵電容可以不接。

U3內(nèi)置的過流檢測電路可檢測上臂MOSFET的導(dǎo)通電阻R_DS(ON)上的電流。如果流過上臂MOSFET的電路超過閾值,其管壓降超過R12電阻的壓降,導(dǎo)致U3內(nèi)部的過流比較器翻轉(zhuǎn),關(guān)斷PWM輸出,實現(xiàn)過流保護(hù)。

實際測試中，R12的電壓設(shè)定在160mV左右，對應(yīng)45A的過流保護(hù)閾值。如果需要實現(xiàn)不同的過流保護(hù)閾值，只需要更改R12的電阻值即可。

MOSFET功率模塊分析
MOSFET功率模塊的電路如圖4所示。其中，U1為MOSFET驅(qū)動IC，采用TI公司的TPS2834，可實現(xiàn)同步整流MOSFET并聯(lián)對管的驅(qū)動。U1的第2管腳接PWM單路輸入,經(jīng)過內(nèi)部的雙路移相后，輸出驅(qū)動后級同步整流上臂MOSFET Q2、Q3和下臂MOSFET Q1、Q4。

TPS2834的輸出驅(qū)動特性比較優(yōu)異,在輸入3.3V，輸出0.8V，滿載30A負(fù)載電流時,MOSFET的驅(qū)動波形非常理想,無明顯的振鈴現(xiàn)象。TPS2834良好的MOSFET驅(qū)動特性保證了PTH03030可實現(xiàn)高達(dá)90%以上的轉(zhuǎn)換效率。

圖4 PTH03030模塊的MOSFET功率模塊電路

DT管腳就是上下臂MOSFET的死區(qū)控制管腳，連接到上下臂MOSFET的中點，可防止出現(xiàn)上下臂MOSFET由于關(guān)斷延時而瞬時直通造成的過流隱患。

升壓模塊分析
升壓電路由U2及其外圍電路組成（見圖5）。U2是一款SOT-23封裝的升壓控制器，內(nèi)置MOSFET，可極大地簡化升壓模塊的外圍電路，實現(xiàn)高密度的模塊應(yīng)用。

圖5 PTH03030模塊的升壓電路

U2的開關(guān)頻率最大可以達(dá)到1MHz，在輸出相同電流的條件下,可以極大減小升壓電感的體積和輸出濾波電容的容量和個數(shù)。升壓控制器內(nèi)置過流保護(hù)功能，當(dāng)升壓輸出電流達(dá)到400mA時,進(jìn)入過流保護(hù),使升壓芯片不受進(jìn)一步的損壞。

PTH03030模塊的升壓電壓為6.5V,實際測試最高可以達(dá)到28V的升壓輸出,升壓后的電源提供整個模塊的MOSFET驅(qū)動IC U1,電壓跟蹤比較運放的供電。

自動電壓跟蹤模塊分析
PTH03030模塊的一個主要特點就是支持自動電壓跟蹤控制，由施加參考電壓在TRACK腳來實現(xiàn)。施加在TRACK腳上的電壓和輸出電壓通過模塊的低電壓運算放大器進(jìn)行實時誤差比較放大,誤差比較電壓經(jīng)下一級的電壓緩沖后,直接控制PWM控制器的FB反饋電壓。只要運放的輸出響應(yīng)足夠快,就能保證PTH03030的輸出電壓和TRACK電壓精密跟隨上下電的電壓輸出時序。

圖6 PTH03030模塊的自動電壓跟蹤功能典型應(yīng)用電路

自動電壓跟蹤功能典型應(yīng)用電路如圖6所示，2個模塊的TRACK管腳一起連接到Q1的D級。系統(tǒng)上電時,控制電平為低電平，Q1關(guān)斷，TRACK管腳電壓上升,上下兩塊POLA模塊的輸出電壓跟隨TRACK腳電壓同步上升。當(dāng)模塊達(dá)到各自的輸出電壓設(shè)定值時,電壓自動跟蹤完成，模塊各自達(dá)到設(shè)定點，完成時序上電控制。當(dāng)需要系統(tǒng)下電時，控制電平轉(zhuǎn)為高電平，Q1導(dǎo)通，TRACK電壓下降，模塊輸出跟蹤下降。

輸出微調(diào)模塊分析
PTH03030模塊的微調(diào)模塊外部應(yīng)用電路如圖7所示。模塊的微調(diào)輸出電壓正/負(fù)偏輸出的控制腳分別是9和10腳，正偏微調(diào)電阻Ru通過場效應(yīng)管Q2接地，負(fù)偏微調(diào)電阻Rd通過場效應(yīng)管Q1接地。當(dāng)需要輸出進(jìn)入正偏模式時，只要在Q2的柵極施加高電平,使Q2導(dǎo)通,Ru回路導(dǎo)通，通過內(nèi)部的微調(diào)電壓分壓，可實現(xiàn)輸出電壓的正偏移輸出，負(fù)偏電壓微調(diào)輸出同理。

圖7 PTH03030模塊的輸出電壓正偏/負(fù)偏微調(diào)應(yīng)用電路

保護(hù)功能模塊分析
PTH03030模塊的全局過溫保護(hù)電路如圖8所示。U4是一款SOT-23封裝的溫度傳感器IC，通過和外圍電路配合可以實現(xiàn)模塊的過溫保護(hù)功能,防止模塊電路出現(xiàn)異常過溫?zé)龤У碾[患。過溫保護(hù)電路在模塊溫度超過OTP保護(hù)閾值時,會自動將INHIBIT使能管腳電壓下拉，輸出全局關(guān)斷電壓。

過溫保護(hù)不采用芯片內(nèi)置的過溫保護(hù)電路，主要是考慮到POLA模塊上的多種控制芯片的過溫保護(hù)閾值存在離散性。而通過OTP電路實現(xiàn)全局過溫聯(lián)動,確實是不錯的專業(yè)設(shè)計考慮。

PTH03030H的ON/OFF開關(guān)由INHIBIT使能管腳控制,可實現(xiàn)全局模塊的關(guān)斷或者輸出。INHIBIT管腳不是TTL接口的電平,在設(shè)計階段注意不能直接和3.3V邏輯器件的I/O直接連接，推薦接法如圖9所示。

圖8 PTH03030模塊的保護(hù)電路

圖9 PTH03030模塊的ON/OFF控制應(yīng)用電路