淺談如何實(shí)現(xiàn)高性能且高密度高電流的POL設(shè)計(jì)

　　所有的電子產(chǎn)品都像這個(gè)世界一樣正在不斷縮小。隨著電路功能和整合度的提高，PCB板的空間變得彌足珍貴。主要的板空間要分配給應(yīng)用的核心功能，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)通道和支援元件。雖然設(shè)計(jì)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。這為電源設(shè)計(jì)者帶來了很大的挑戰(zhàn)──即如何以更小的佔(zhàn)位提供更高的電源？

　　答案說起來非常簡(jiǎn)單：提升效率并同時(shí)提高開關(guān)頻率。但實(shí)際上，這卻是一個(gè)很難解決的問題，因?yàn)楦叩男屎透唛_關(guān)頻率是互相排斥的。儘管如此，國際整流器公司（IR）IR3847大電流負(fù)載點(diǎn)（POL）整合穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)人員們開發(fā)出採用整合型MOSFET的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器，可在一個(gè)緊密的5×6 mm封裝中（如圖1），將IR第叁代SupIRBuck系列的額定電流擴(kuò)展到25A。

　　圖1： IR3847 5x6 mm QFN封裝

　　這一解決方案拉抬了叁個(gè)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(jì)和高效MOSFET。由于最新的熱增強(qiáng)型封裝採用銅片，控制器中的創(chuàng)新針對(duì)大于1MHz開關(guān)頻率的控制器和IR的最新一代──12.5代MOSFET，IR3847可在無散熱器的情況下，在25A的電流下運(yùn)作，與採用控制器和功率MOSFET的獨(dú)立式解決方案相較，又將PCB的尺寸縮減了70%。利用IR3847（圖2），在一個(gè)小至168mm2的面積內(nèi)，現(xiàn)在能實(shí)現(xiàn)完整的25A電源解決方案。

　　圖2:PCB面積縮減

　　開關(guān)頻率可提高到1MHz或者更高，但仍要採用高輸入電壓（如12V），因而需要一款新的專利型模組架構(gòu)，產(chǎn)生極小的導(dǎo)通時(shí)間脈衝。例如，將輸出功率從12V轉(zhuǎn)換至1V的1MHz設(shè)計(jì)，必須具有83ns的脈衝寬度，這樣就可以容許極小的抖動(dòng)。在這些條件下，標(biāo)準(zhǔn)的PWM機(jī)制通常會(huì)產(chǎn)生30~40ns的抖動(dòng)，對(duì)于這些應(yīng)用而言，這樣的抖動(dòng)時(shí)間是沒有意義的。IR3847內(nèi)的PWM調(diào)節(jié)電路僅產(chǎn)生4ns的抖動(dòng)，與標(biāo)準(zhǔn)解決方案（圖3）相比更縮減90%，因而實(shí)現(xiàn)了雙贏，即將輸出電壓紋波降低約30%的同時(shí)，也達(dá)到了1MHz或更高的頻率/更高寬度的作業(yè)，實(shí)現(xiàn)更小的尺寸、更好的瞬態(tài)響應(yīng)，以及採用更少量的輸出電容。

　　圖3：抖動(dòng)比較

　　新款元件整合了IR公司最新一代的功率MOSFET，從而為具有15A~25A的應(yīng)用取得更佳的電子性能，其峰值效率高于96%。為了達(dá)到更好的散熱性能，例如，在提供25A的電流時(shí)，溫度僅僅上升50°C的低值，因而採用該公司獨(dú)有的封裝（圖4）。同步MOSFET轉(zhuǎn)換到‘源極在下’配置，同時(shí)控制MOSFET卻保持著傳統(tǒng)的‘汲極在下’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(dǎo)出封裝，并降至底平面，而不是像競(jìng)爭(zhēng)解決方案一樣得經(jīng)過晶片，因而有助于從控制MOSFET中傳熱，并同時(shí)降低MOSFET間開關(guān)結(jié)點(diǎn)間的連接電阻。

　　圖4： 專利型封裝將熱傳導(dǎo)和電子傳導(dǎo)最大化

　　作為第叁代SupIRBuck中的一員，這些元件符合工業(yè)市場(chǎng)中-40℃至125℃的工作結(jié)溫要求。它可能針對(duì)單輸入電壓（5V~21V）作業(yè)進(jìn)行配置，或者當(dāng)提供5V的外部偏壓時(shí)，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(shí)間微調(diào)功能，將效率損耗降至最低，而且內(nèi)部智慧LDO可實(shí)現(xiàn)整個(gè)負(fù)載範(fàn)圍上的效率最佳化。真正的差分遠(yuǎn)程檢測(cè)對(duì)于大電流應(yīng)用（圖5）至關(guān)重要，在25℃至105℃的溫度範(fàn)圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)0.5%的基準(zhǔn)電壓精度，輸入前向和超低抖動(dòng)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)線壓、負(fù)載和溫度高于3%的整體輸出電壓精度。

　　其他先進(jìn)特性還包括外部時(shí)脈同步、定序、追蹤、輸出電壓容限、預(yù)偏壓?jiǎn)?dòng)性能、實(shí)現(xiàn)輸入電壓感知、可調(diào)節(jié)OVP接腳和內(nèi)部軟啟動(dòng)。IR3847還具有採用專業(yè)檢測(cè)接腳（VSNS）的真正的輸出電壓檢測(cè)。因此，提供了一個(gè)強(qiáng)勁的解決方案，可以確保在所有條件下為輸出電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，特別是出現(xiàn)反饋線纜斷開的情況，否則，就會(huì)導(dǎo)致在傳統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品出現(xiàn)的嚴(yán)重的過壓?jiǎn)栴}。

　　除此之外，還要關(guān)注對(duì)于佈局的簡(jiǎn)化，并使設(shè)計(jì)更加強(qiáng)勁以免受雜訊的干擾。例如，透過對(duì)接腳輸出進(jìn)行最佳化，實(shí)現(xiàn)對(duì)于旁通電容器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的佈置，并透過叁線接腳選擇電流限度，因而降低對(duì)于晶片的雜訊注入并節(jié)省了電容器，最終簡(jiǎn)化了佈局。

　　利用帶有真正差分遠(yuǎn)程檢測(cè)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(yīng)用方面的挑戰(zhàn)。當(dāng)與標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立式解決方案相比時(shí)，IR3847將PCB佔(zhàn)位空間降低了70%，僅要求具有168mm2的PCB佔(zhàn)位面積，以提供25A的電流并在負(fù)載端的右側(cè)，總輸出電壓精度提高了3%。競(jìng)爭(zhēng)元件一般僅具有5%或更低的精度。透過為脈衝寬度的抖動(dòng)時(shí)間大幅度降低50ns，IR3847實(shí)現(xiàn)了更高的閉環(huán)頻寬，最終實(shí)現(xiàn)更佳瞬態(tài)響應(yīng)以及更低的輸出電容。

　　圖5：差分遠(yuǎn)端檢測(cè)