中心議題：
- 探討DC-DC轉換器功率級的選擇要求
解決方案：
- 模塊化控制提升系統設計
- 帶驅動器和MOSFET的分立式解決方案
本文主要探討了DC-DC應用中轉換器功率級選擇的影響。
先進嵌入式DC-DC轉換器的要求
許多工業系統,如測試測量設備,都需要嵌入式DC-DC轉換器,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 通常需要為內核和I/O結構以準確的順序提供單獨的電壓,以避免閂鎖現象的發生。
嵌入式DC-DC轉換器必須具有出色的效率。這類轉換器的可用空間很小,對于熱設計尤其具有挑戰性,因為嵌入式轉換器主要依賴PCB 上元件周圍的銅面積來改善系統熱阻抗。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、低開關損耗的電源開關。不過鑒于器件的導通阻抗RDSON越低,寄生電容 乃至開關損耗就越高,最終功耗也越高,故必需進行一定的權衡取舍。嵌入式DC-DC轉換器的另一個主要要求是EMI必需低。這些轉換器產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 (以降低開關損耗) 轉換大電流 (若負載所需) 不可避免地會產生很大的開關噪聲,包括傳導噪聲和輻射噪聲 (主要是磁場)。因此,必需特別關注功率級元件選擇和布局的優化,尤其是在驅動器連接方面。此外,PWM控制拓撲也有一定影響。
舉例來說,采用0.09μm技術的數字IC可能需要1.2V ± 40mV的電源電壓。根據該DSP的數據表,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,因在高開關頻率下,動態要求非常高。
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或專用硬件來執行計算密集型功能。很多時候,還專門使用另有一套電壓要求的高性能A/D轉換器來改善噪聲性能,真正充分利用這些轉換器的分辨率和帶寬。這些趨勢催生出具有眾多相倚關系的復雜的功率管理系統。
模塊化控制提升系統設計
一個應用建議是把DC-DC轉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,并改進轉換器的動態特性。“分布式”功率管理系統應運而生,在這種系統中,所有轉換器都理想地彼此相連。能夠與其它轉換器在網絡中協同工作的一個控制器例子是FD2004,如圖1的模塊示意圖所示。
圖1
FD2004是Digital-DC產品系列的一員,整合了數字環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品,可通過SMBus (系統管理總線) 與主控制器和其它DC-DC轉換器相連接,輕松實現許多不同的功能,如轉換器的系統內配置、上電順序、余量功能 (margining)、故障保護以及系統監控。所有這些功能都有助于縮短上市時間,更重要的是,提高系統可靠性。
FD2004可以與外部柵極驅動器 (如FD1505) 和分立式MOSFET ,或是集成了驅動器與MOSFET的單封裝DrMOS產品協同工作。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,如多相轉換器,所選的架構可實現多達8個相位的電流共享,而且可在輸出功率較低時實現切相 (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路補償的數字控制環路,支持高達1.4MHz的開關頻率。時鐘同步可協助提升EMI性能。對于同時需要集成式驅動器和分立式外部MOSFET的應用,FD2006也是個不錯的選擇。
對輸出電流較低的系統電壓,集成式DC-DC轉換器值得推薦,此時,PCB面積和易于使用都是最重要的考慮因素。數字轉換器,如FD2106 (6A max),象Digital-DC系列的其它產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換器一起使用。對獨立式應用而言,由于不需要與系統內其它轉換器連接,還可以采用集成式轉換器 (如飛兆半導體 的FAN2106)。
數字功率管理系統的控制器和轉換器鏈可通過圖形用戶接口來控制,很容易對所有參數和系統性能監控進行修正。這種軟件運行在PC機上,并經由USB接口與控制器連接。當參數全都良好時,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]
圖2
1.帶驅動器和MOSFET的分立式解決方案現在仍在普遍使用。為滿足所有設計要求,現在飛兆半導體提供的采用小尺寸熱性能增強型MLP(QFN) 封裝的產品,可獲得高系統性能。MOSFET實現了首先采用MLP封裝(見圖3所示)。其Power56和Power33產品系列采用最新的PowerTrench技術,能夠同時提供超低RDSon 和低Qg,從而適用于高開關頻率應用。鍵合技術可減小封裝的電感 ,提高封裝有限的ID ,適用于大電流應用。其低端FET產品組合采用SyncFET集成了肖特基二極管 ,在實現高開關性能的同時降低了熱耗。
圖3
FDMS9600S在一個不對稱的Power56封裝內集成了一個高端FET和一個低端SyncFET,可進一步提高熱性能,并實現小尺寸的緊湊型PCB設計 (圖4)。
圖4
2.上述帶驅動器和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)產品系列包括 8x8mm產品FDMD87xx和6x6mm產品FDMF67xx,可滿足不同的設計要求。而評估板則可協助設計人員熟悉應用,并測試性能以便與分立式解決方案相比較(圖5)。
圖5
帶有Power56 MOSFET和SO-8驅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精心挑選并全面優化,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的開關頻率優化。甚至在大電流設計中即使考慮到熱設計規則,也無需散熱器,因系統中空氣流對于該芯片散熱是足夠的。[page]
圖6
圖7
3.最終全集成開關將使功率級設計更迅速易行。除了Digital-DC系列的FD2106之外,FAN210x 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)。
圖8
整個IC采用MLP封裝,大小僅5x6mm,有助于設計的緊湊性,同時可實現最佳熱性能和高效率。
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勢,如節省空間、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成本。這樣一種全集成的解決方案還支持高系統可靠性,因為元件越少意味著故障風險越低,而且考慮到熱設計規則,更低的系統溫度也十分重要。
在設計任務中,熱設計是非常重要的一環。利用現今的MOSFET、DrMOS或柵極驅動器,一般可獲得相當好的結到管殼熱阻抗,但管殼到周圍環境的熱阻抗取決于設計,且通常要高得多。在大多數系統中,若只利用PCB,熱阻抗 (管殼到周圍環境) 在40K/W左右,最好的設計能夠達到25K/W 這仍比結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的,并影響PCB的最高溫度,而這通常正是限制因素 (若結到管殼熱阻抗低,結溫就不可能比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。另一個權衡是開關頻率―如果不是因EMI要求或空間限制而預先確定 (利用更高的開關頻率來減小無源元件的尺寸),更低的開關頻率有助于降低開關損耗,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。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,有時利用內層來協助散熱。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)。
圖9
對于強迫空氣對流式的系統,元件布局時需注意的是,不要把轉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
現代嵌入式DC-DC轉換器受益于眾多不同的技術方案,能夠提高系統性能和可靠性,并降低成本。在獨立式轉換器或互連數字轉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系顯示出,可以對工作在網絡中的DC-DC轉換器進行優化,并獲得最低功耗。
