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DC/DC轉換器空間受限的解決方案

文章來(lái)源：更新時(shí)間：2014/7/8 14:40:00

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如何解決有限空間的問(wèn)題，理論上的答案很簡(jiǎn)單：提高效率，同時(shí)提高開(kāi)關(guān)頻率。而在實(shí)際的12V電源系統中，提高效率和提高開(kāi)關(guān)頻率是相違背的，因此這成為一個(gè)非常難于解決的問(wèn)題。
世界正在縮小，而相應的電子設備也隨之縮小，隨著(zhù)電路功能的增強和密度的提高，PCB的占位面積成為首要的元素。PCB主要被應用的核心功能元件，如微處理器、FPGA、ASIC及其相關(guān)的高速數據路徑和支持元件所占用。必需的，然而卻是人們不想要的供電電源被強制壓縮到剩下的有限空間里。此外，隨著(zhù)功能性和密度的提高，功耗勢必會(huì )相應的增長(cháng)。具有同等重要性的另一因素是易于設計及其魯棒性。這些就為電源設計者帶來(lái)了一個(gè)挑戰，即如何在有限的區域提供更多的電源，同時(shí)保證一個(gè)通用而簡(jiǎn)單的設計。
盡管如此，這恰恰是賦予IR第三代負載點(diǎn)（POL）集成型穩壓器設計者的任務(wù)。他們完成了一系列集成了MOSFET的DC-DC步降式降壓轉換器，滿(mǎn)足1A至25A寬范圍的電流輸出。
這一解決方案凝聚了三個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng )新：IC開(kāi)關(guān)穩壓器電路設計、高效MOSFET和IC封裝。首先，為了允許將開(kāi)關(guān)頻率增加到1MHz或更高，同時(shí)仍然在高輸入電壓比如12V下運行，我們設計了一個(gè)新的專(zhuān)利型調制器模塊，可以產(chǎn)生極小的無(wú)抖動(dòng)的開(kāi)通脈沖。例如，將12V輸入電源轉換為1V輸出電壓，開(kāi)關(guān)頻率為1MHz，脈沖寬度僅為83ns，因而只能承受非常小的抖動(dòng)。
而標準的PWM方案通常具有大約30-40ns的抖動(dòng)，因而在這種應用條件下不可用。圖1a清楚地說(shuō)明了這一點(diǎn)，在一個(gè)標準的轉換器中脈寬的抖動(dòng)引起脈寬跳變進(jìn)而導致輸出紋波過(guò)大。與此相反，圖1b中顯示，第3代的SupIRBuck中采用的專(zhuān)利型PWM調制器，在相同的條件下，提供了干凈的、得到良好控制的輸出紋波。在第3代的SupIRBuck系列內的PWM調制器僅產(chǎn)生了4ns的抖動(dòng)，相比于標準的解決方案（圖2）減少了90%.這就帶來(lái)了雙重效益，即將輸出電壓紋波降低大約30%，并且允許在1MHz或更高頻率/更高帶寬下運行，以實(shí)現更小的尺寸，更好的瞬態(tài)響應，及更少的輸出電容。

圖1： 1MHz、16Vin、0.7Vout應用條件下，輸出紋波性能（a）標準轉換器（b）IR第三代SupIRBuck

圖2：脈寬抖動(dòng)對比
新產(chǎn)品家族集成了IR公司的功率MOSFET及一個(gè)內部產(chǎn)生的6.8V柵極驅動(dòng)。這就使得第三代SupIRBuck系列產(chǎn)品，無(wú)需任何額外的外部電路，即可以獲得市場(chǎng)領(lǐng)先的效率（圖3），優(yōu)于通常將柵極驅動(dòng)限定在5V的傳統解決方案。

圖3： 5V和6.8V柵極驅動(dòng)的效率比較
采用標準封裝技術(shù)進(jìn)行散熱，對于在1A -16A電流范圍的小功率電流軌而言是足夠的。然而，對于高功率軌，如25A電流，為了實(shí)現市場(chǎng)領(lǐng)先的散熱性能，例如溫升低至50oC同時(shí)還要提供25A的電流時(shí)，IR采用了專(zhuān)用的封裝（圖4）。同步MOSFET翻轉成為“源極向下（Source down）”放置，而控制MOSFET保持著(zhù)傳統的“漏極向下（drain down）”放置。大部分熱量在同步MOSFET的源極產(chǎn)生，因而能夠立即傳導出封裝，并傳導到接地層，而不是像競爭解決方案那樣通過(guò)硅片來(lái)傳導�？刂芃OSFET的源極是由一個(gè)單獨的銅夾連接到同步MOSFET的漏極，而銅夾又與開(kāi)關(guān)結點(diǎn)相連。這將有助于從控制MOSFET傳導熱量并在MOSFET和開(kāi)關(guān)結點(diǎn)之間提供極低的電氣連接阻抗。

圖4：專(zhuān)利型封裝為IR3847（25A）提供最大的導熱導電性
由于采用銅夾的新型增強散熱型封裝，和高于1MHz開(kāi)關(guān)頻率的創(chuàng )新控制技術(shù)，以及IR最新一代的12.5 MOSFET，IR3847可在25A的電流下工作而不需要任何散熱器，而且，與采用控制器和功率MOSFET的分立式解決方案相比，PCB的尺寸縮減了70%.目前，使用IR3847，一個(gè)完整的25A電源解決方案可以在小達168 mm2的面積內實(shí)現。（圖5）

圖5：利用IR3847（25A）實(shí)現的PCB縮減
全新第三代的SupIRBuck系列的運行結溫是-40oC至125oC，符合工業(yè)市場(chǎng)的要求。它們可用于單輸入電壓（5V-21V），或者在提供了5V外部偏壓的情況下，輸入電壓范圍1V-21V的電源轉換應用場(chǎng)合。第三代SupIRBucks具有集成了精確死區時(shí)間調節功能，使得效率損失最小化，并具有一個(gè)靈敏的內部LDO，用以在整個(gè)負載范圍上優(yōu)化效率。
對于大電流應用必不可少的真實(shí)的差分遠程檢測（僅適用于IR3847）（圖6）；在25°C至105°C的溫度范圍內，0.5%的基準電壓精度；輸入前饋以及極低的脈寬抖動(dòng)相結合，使總輸出電壓精度在整個(gè)輸入、負載和溫度條件下超過(guò)3%.其他先進(jìn)的功能包括外部時(shí)鐘同步、時(shí)序、跟蹤、輸出電壓裕量、預偏置起動(dòng)能力、輸入電壓感知使能、可調過(guò)壓保護和內部軟啟動(dòng)。
第三代SupIRBucks通過(guò)一個(gè)專(zhuān)門(mén)引腳（VSNS），來(lái)檢測真實(shí)的輸出電壓。因此提供了一個(gè)可靠的解決方案，以保證在各種條件下都可以對輸出電壓進(jìn)行監測，尤其是當反饋線(xiàn)路壞掉的情況，不會(huì )出現傳統競爭產(chǎn)品那樣的災難性的過(guò)壓后果。

圖6：IR3847（25A）的真實(shí)差分遠程檢測
開(kāi)關(guān)結點(diǎn)處的尖峰電壓是引致MOSFET電應力的一個(gè)主要來(lái)源。完全的單片電路產(chǎn)品，MOSFET和控制器都被集成到同一個(gè)硅片，因而對于尖峰電壓特別敏感。這些類(lèi)型的產(chǎn)品通常通過(guò)降低輸入電壓和開(kāi)關(guān)結點(diǎn)電壓以避免MOSFET過(guò)應力。然而，降低這些參數的等級在許多應用中都不適用。
更為可靠的方法是將控制器芯片從MOSFET硅片中分離出來(lái)。因而MOSFET可以采用更高的電壓工藝制程，達到更高的電壓等級，來(lái)承受更高的電壓尖峰，而同時(shí)控制器可以采用較低的電壓工藝。第三代SupIRBucks即采用了這種方法，其中3個(gè)分立式硅片（控制器、同步MOSFET和控制MOSFET）在封裝上被集成在一起（圖7）。因而提供了更高水平的魯棒性。

圖7：控制器和MOSFET的封裝級集成，比單硅片方案提高了魯棒性
利用全新第三代SupIRBuck系列，IR解決了發(fā)熱和空間都受限的高密度電源應用的挑戰，而且在負載范圍內總的輸出電壓精度高于3%.競爭器件通常只有5%或稍高的精度。通過(guò)顯著(zhù)降低脈寬的抖動(dòng)，使最小脈寬短至50ns，第3代SupIRBuck提供了更高的閉環(huán)帶寬，從而實(shí)現了更好的瞬態(tài)響應和更小的輸出電容。
客戶(hù)對于電源最佳性能和密度的需求永不妥協(xié)。第三代SupIRBuck系列產(chǎn)品通過(guò)簡(jiǎn)易化的設計流程滿(mǎn)足了這些需求并走的更遠。相同的引擎和功能都在這個(gè)系列中的每個(gè)產(chǎn)品中加以復制，因此設計者可以馬上熟悉所有產(chǎn)品并在每款產(chǎn)品上重復使用相同的設計方法。有些產(chǎn)品的腳位兼容以便于替換使用，這使得設計者能針對不同功率等級的產(chǎn)品做出快速修改。
此外，免費的在線(xiàn)設計工具可以加快設計，實(shí)現產(chǎn)品的快速問(wèn)市。該工具提供原理圖，物料清單，仿真和熱性能參數，并允許用戶(hù)定制化設計輸入，包括元件選擇，PCB布局走線(xiàn)和輸入電壓（圖9）。

圖8：第3代SupIRBuck產(chǎn)品系列

圖9：SupIRBuck在線(xiàn)設計和仿真工具

結語(yǔ)
典型地，復雜的應用需要多路電源來(lái)為多個(gè)子系統供電，而且每路電源由于輸出電壓或輸出電流的不同，而有些微小規格差異。電源轉換器設計的挑戰是找到一個(gè)通用的設計平臺，易于在寬電流范圍進(jìn)行擴展，同時(shí)實(shí)現占位空間最小化、頻率最大化及工業(yè)級的魯棒性。