滿(mǎn)足復(fù)雜DC-DC功率轉(zhuǎn)換要求的解決方案

引言

　　在測(cè)試測(cè)量設(shè)備或嵌入式計(jì)算等工業(yè)應(yīng)用中，嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)架構(gòu)可能相當(dāng)復(fù)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(yīng)用中轉(zhuǎn)換器功率級(jí)選擇的影響。

先進(jìn)嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器的要求

　　許多工業(yè)系統(tǒng)，如測(cè)試測(cè)量設(shè)備，都需要嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器，是因?yàn)檫@些應(yīng)用所需的計(jì)算能力日益增加。這種計(jì)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(lèi)器件在不斷的進(jìn)步。另一方面，這也帶來(lái)了三大要求：第一，電源電壓越來(lái)越低 (當(dāng)然，還有容許的電壓紋波和負(fù)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(zhǔn)確的順序提供單獨(dú)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(lèi)轉(zhuǎn)換器的可用空間很小，對(duì)于熱設(shè)計(jì)尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榍度胧睫D(zhuǎn)換器主要依賴(lài)PCB上元件周?chē)你~面積來(lái)改善系統(tǒng)熱阻抗。由于功耗與電流的平方成正比，隨著負(fù)載電流的增加，這種情形會(huì)更加惡化。因此這時(shí)需要低導(dǎo)通阻抗RDSON、低開(kāi)關(guān)損耗的電源開(kāi)關(guān)。不過(guò)鑒于器件的導(dǎo)通阻抗RDSON越低，寄生電容乃至開(kāi)關(guān)損耗就越高，最終功耗也越高，故必需進(jìn)行一定的權(quán)衡取舍。嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)主要要求是EMI必需低。這些轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的噪聲會(huì)對(duì)周?chē)碾娐吩斐筛蓴_，因而必須盡可能地小。不過(guò)，高速 (以降低開(kāi)關(guān)損耗) 轉(zhuǎn)換大電流 (若負(fù)載所需) 不可避免地會(huì)產(chǎn)生很大的開(kāi)關(guān)噪聲，包括傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲 (主要是磁場(chǎng))。因此，必需特別關(guān)注功率級(jí)元件選擇和布局的優(yōu)化，尤其是在驅(qū)動(dòng)器連接方面。此外，PWM控制拓?fù)湟灿幸欢ㄓ绊憽?/p>

　　舉例來(lái)說(shuō)，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(dá)952mA。另一個(gè)例子是65nm工藝制造的大尺寸FPGA，1.0V +/-50mV電源電壓、85℃時(shí)，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(kāi)關(guān)頻率下，動(dòng)態(tài)要求非常高。

　　這些應(yīng)用中包含多個(gè)不同IC相當(dāng)常見(jiàn)，譬如，由一個(gè)較小的微控制器 (電源電壓較高時(shí)) 來(lái)負(fù)責(zé)所有的接口和主機(jī)功能，利用一個(gè)較大的DSP或?qū)Ｓ糜布?lái)執(zhí)行計(jì)算密集型功能。很多時(shí)候，還專(zhuān)門(mén)使用另有一套電壓要求的高性能A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)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(shì)催生出具有眾多相倚關(guān)系的復(fù)雜的功率管理系統(tǒng)。

模塊化控制提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　一個(gè)應(yīng)用建議是把DC-DC轉(zhuǎn)換器盡可能靠近負(fù)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(jìn)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)特性。“分布式”功率管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)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(luò)中協(xié)同工作的一個(gè)控制器例子是FD2004，如圖1的模塊示意圖所示。

　　FD2004是Digital-DC產(chǎn)品系列的一員，整合了數(shù)字環(huán)路控制和高集成度功率管理功能。這種控制器及其同系列產(chǎn)品，可通過(guò)SMBus (系統(tǒng)管理總線) 與主控制器和其它DC-DC轉(zhuǎn)換器相連接，輕松實(shí)現(xiàn)許多不同的功能，如轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)內(nèi)配置、上電順序、余量功能 (margining)、故障保護(hù)以及系統(tǒng)監(jiān)控。所有這些功能都有助于縮短上市時(shí)間，更重要的是，提高系統(tǒng)可靠性。

　　FD2004可以與外部柵極驅(qū)動(dòng)器 (如FD1505) 和分立式MOSFET，或是集成了驅(qū)動(dòng)器與MOSFET的單封裝DrMOS產(chǎn)品協(xié)同工作。它還可以在獨(dú)立式應(yīng)用中通過(guò)電阻來(lái)編程—特別地，輸出電壓的最大值由電阻設(shè)定，且利用軟件命令設(shè)定的電壓最大值不得超過(guò)10%以上，以保護(hù)負(fù)載。在需要較大電流的應(yīng)用中，如多相轉(zhuǎn)換器，所選的架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)多達(dá)8個(gè)相位的電流共享，而且可在輸出功率較低時(shí)實(shí)現(xiàn)切相 (phase shedding) 來(lái)保持高效率。該款控制器基于帶自適應(yīng)性能算法和環(huán)路補(bǔ)償?shù)臄?shù)字控制環(huán)路，支持高達(dá)1.4MHz的開(kāi)關(guān)頻率。時(shí)鐘同步可協(xié)助提升EMI性能。對(duì)于同時(shí)需要集成式驅(qū)動(dòng)器和分立式外部MOSFET的應(yīng)用，F(xiàn)D2006也是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

　　對(duì)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(shí)，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(duì)獨(dú)立式應(yīng)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(dǎo)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(guò)圖形用戶(hù)接口來(lái)控制，很容易對(duì)所有參數(shù)和系統(tǒng)性能監(jiān)控進(jìn)行修正。這種軟件運(yùn)行在PC機(jī)上，并經(jīng)由USB接口與控制器連接。當(dāng)參數(shù)全都良好時(shí)，它們被儲(chǔ)存在控制器的非易失性存儲(chǔ)器中，這樣PC機(jī)就不再需要運(yùn)行系統(tǒng)了。

　　如圖2所示的DC-DC功率級(jí)可采用不同方式設(shè)計(jì)，以同時(shí)獲得最佳電氣性能和熱性能。

　　1.帶驅(qū)動(dòng)器和MOSFET的分立式解決方案現(xiàn)在仍在普遍使用。為滿(mǎn)足所有設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)在飛兆半導(dǎo)體提供的采用小尺寸熱性能增強(qiáng)型MLP(QFN) 封裝的產(chǎn)品，可獲得高系統(tǒng)性能。MOSFET實(shí)現(xiàn)了首先采用MLP封裝(見(jiàn)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(shí)提供超低RDSon 和低Qg，從而適用于高開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)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(yīng)用。其低端FET產(chǎn)品組合采用SyncFET集成了肖特基二極管，在實(shí)現(xiàn)高開(kāi)關(guān)性能的同時(shí)降低了熱耗。

　　FDMS9600S在一個(gè)不對(duì)稱(chēng)的Power56封裝內(nèi)集成了一個(gè)高端FET和一個(gè)低端SyncFET，可進(jìn)一步提高熱性能，并實(shí)現(xiàn)小尺寸的緊湊型PCB設(shè)計(jì) (圖4)。

　　2.上述帶驅(qū)動(dòng)器和MOSFET的分立式解決方案也備有8x8mm或6x6mm MLP封裝的MCM(多芯片模塊)。這些DrMOS(DriverMOS)產(chǎn)品系列包括 8x8mm產(chǎn)品FDMD87xx和6x6mm產(chǎn)品FDMF67xx，可滿(mǎn)足不同的設(shè)計(jì)要求。而評(píng)估板則可協(xié)助設(shè)計(jì)人員熟悉應(yīng)用，并測(cè)試性能以便與分立式解決方案相比較(圖5)。

　　帶有Power56 MOSFET和SO-8驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)，這種解決方案可使電流高達(dá)30A，并針對(duì)最高1MHz的開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化。甚至在大電流設(shè)計(jì)中即使考慮到熱設(shè)計(jì)規(guī)則，也無(wú)需散熱器，因系統(tǒng)中空氣流對(duì)于該芯片散熱是足夠的。

　　3.最終全集成開(kāi)關(guān)將使功率級(jí)設(shè)計(jì)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(yīng)用提供全集成同步降壓功能 (圖8)。

　　整個(gè)IC采用MLP封裝，大小僅5x6mm，有助于設(shè)計(jì)的緊湊性，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)最佳熱性能和高效率。

　　更高的集成度乍看似乎會(huì)導(dǎo)致更高的材料清單 (BOM) 成本，但綜合考慮所有的優(yōu)勢(shì)，如節(jié)省空間、熱性能更好、無(wú)源元件更少等，事實(shí)上反而會(huì)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?yàn)樵缴僖馕吨收巷L(fēng)險(xiǎn)越低，而且考慮到熱設(shè)計(jì)規(guī)則，更低的系統(tǒng)溫度也十分重要。

　　在設(shè)計(jì)任務(wù)中，熱設(shè)計(jì)是非常重要的一環(huán)。利用現(xiàn)今的MOSFET、DrMOS或柵極驅(qū)動(dòng)器，一般可獲得相當(dāng)好的結(jié)到管殼熱阻抗，但管殼到周?chē)h(huán)境的熱阻抗取決于設(shè)計(jì)，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?chē)h(huán)境) 在40K/W左右，最好的設(shè)計(jì)能夠達(dá)到25K/W 這仍比結(jié)到管殼熱阻抗高很多，對(duì)MOSFET而言，后者的典型值為2K/W。因此，PCB的熱設(shè)計(jì)非常重要，因?yàn)檫@兩個(gè)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(duì)于更大的電流，為了讓熱量擴(kuò)散到更大的表面上，多相的分立式解決方案(如2-3個(gè)DrMOS器件) 是首選。另一個(gè)權(quán)衡是開(kāi)關(guān)頻率―如果不是因EMI要求或空間限制而預(yù)先確定 (利用更高的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減小無(wú)源元件的尺寸)，更低的開(kāi)關(guān)頻率有助于降低開(kāi)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(guò)也許對(duì)PCB的其余部分并不適合，因?yàn)槌杀驹黾恿?，其它元件需要的更精?xì)的間距也不可能實(shí)現(xiàn)。更大的銅面積很有用，但又會(huì)消耗PCB空間。這些應(yīng)該盡可能由焊料覆蓋，因?yàn)榻饘俦砻姹韧科岜砻娴纳嵝愿谩Ｔ诙鄬覲CB中，有時(shí)利用內(nèi)層來(lái)協(xié)助散熱。熱通孔 (填充焊料) 有時(shí)可用來(lái)把熱量擴(kuò)散到PCB的另一面去 (圖9)。

　　對(duì)于強(qiáng)迫空氣對(duì)流式的系統(tǒng)，元件布局時(shí)需注意的是，不要把轉(zhuǎn)換器放在其它更大尺寸元件的“風(fēng)陰影”里。建議把控制器置于MOSFET的上游，這樣不會(huì)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(dú)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(jí)端上的相倚關(guān)系顯示出，可以對(duì)工作在網(wǎng)絡(luò)中的DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行優(yōu)化，并獲得最低功耗。