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DC/DC轉換器空間受限的解決方案

文章來源：更新時間：2014/7/8 14:40:00

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如何解決有限空間的問題，理論上的答案很簡單：提高效率，同時提高開關頻率。而在實際的12V電源系統(tǒng)中，提高效率和提高開關頻率是相違背的，因此這成為一個非常難于解決的問題。
世界正在縮小，而相應的電子設備也隨之縮小，隨著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，隨著功能性和密度的提高，功耗勢必會相應的增長。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了一個挑戰(zhàn)，即如何在有限的區(qū)域提供更多的電源，同時保證一個通用而簡單的設計。
盡管如此，這恰恰是賦予IR第三代負載點（POL）集成型穩(wěn)壓器設計者的任務。他們完成了一系列集成了MOSFET的DC-DC步降式降壓轉換器，滿足1A至25A寬范圍的電流輸出。
這一解決方案凝聚了三個領域的創(chuàng)新：IC開關穩(wěn)壓器電路設計、高效MOSFET和IC封裝。首先，為了允許將開關頻率增加到1MHz或更高，同時仍然在高輸入電壓比如12V下運行，我們設計了一個新的專利型調制器模塊，可以產生極小的無抖動的開通脈沖。例如，將12V輸入電源轉換為1V輸出電壓，開關頻率為1MHz，脈沖寬度僅為83ns，因而只能承受非常小的抖動。
而標準的PWM方案通常具有大約30-40ns的抖動，因而在這種應用條件下不可用。圖1a清楚地說明了這一點，在一個標準的轉換器中脈寬的抖動引起脈寬跳變進而導致輸出紋波過大。與此相反，圖1b中顯示，第3代的SupIRBuck中采用的專利型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調制器僅產生了4ns的抖動，相比于標準的解決方案（圖2）減少了90%.這就帶來了雙重效益，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：脈寬抖動對比
新產品家族集成了IR公司的功率MOSFET及一個內部產生的6.8V柵極驅動。這就使得第三代SupIRBuck系列產品，無需任何額外的外部電路，即可以獲得市場領先的效率（圖3），優(yōu)于通常將柵極驅動限定在5V的傳統(tǒng)解決方案。

圖3： 5V和6.8V柵極驅動的效率比較
采用標準封裝技術進行散熱，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，為了實現市場領先的散熱性能，例如溫升低至50oC同時還要提供25A的電流時，IR采用了專用的封裝（圖4）。同步MOSFET翻轉成為“源極向下（Source down）”放置，而控制MOSFET保持著傳統(tǒng)的“漏極向下（drain down）”放置。大部分熱量在同步MOSFET的源極產生，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硅片來傳導。控制MOSFET的源極是由一個單獨的銅夾連接到同步MOSFET的漏極，而銅夾又與開關結點相連。這將有助于從控制MOSFET傳導熱量并在MOSFET和開關結點之間提供極低的電氣連接阻抗。

圖4：專利型封裝為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開關頻率的創(chuàng)新控制技術，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IR3847，一個完整的25A電源解決方案可以在小達168 mm2的面積內實現。（圖5）

圖5：利用IR3847（25A）實現的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的電源轉換應用場合。第三代SupIRBucks具有集成了精確死區(qū)時間調節(jié)功能，使得效率損失最小化，并具有一個靈敏的內部LDO，用以在整個負載范圍上優(yōu)化效率。
對于大電流應用必不可少的真實的差分遠程檢測（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相結合，使總輸出電壓精度在整個輸入、負載和溫度條件下超過3%.其他先進的功能包括外部時鐘同步、時序、跟蹤、輸出電壓裕量、預偏置起動能力、輸入電壓感知使能、可調過壓保護和內部軟啟動。
第三代SupIRBucks通過一個專門引腳（VSNS），來檢測真實的輸出電壓。因此提供了一個可靠的解決方案，以保證在各種條件下都可以對輸出電壓進行監(jiān)測，尤其是當反饋線路壞掉的情況，不會出現傳統(tǒng)競爭產品那樣的災難性的過壓后果。

圖6：IR3847（25A）的真實差分遠程檢測
開關結點處的尖峰電壓是引致MOSFET電應力的一個主要來源。完全的單片電路產品，MOSFET和控制器都被集成到同一個硅片，因而對于尖峰電壓特別敏感。這些類型的產品通常通過降低輸入電壓和開關結點電壓以避免MOSFET過應力。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。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，來承受更高的電壓尖峰，而同時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(zhàn)，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。通過顯著降低脈寬的抖動，使最小脈寬短至50ns，第3代SupIRBuck提供了更高的閉環(huán)帶寬，從而實現了更好的瞬態(tài)響應和更小的輸出電容。
客戶對于電源最佳性能和密度的需求永不妥協。第三代SupIRBuck系列產品通過簡易化的設計流程滿足了這些需求并走的更遠。相同的引擎和功能都在這個系列中的每個產品中加以復制，因此設計者可以馬上熟悉所有產品并在每款產品上重復使用相同的設計方法。有些產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品做出快速修改。
此外，免費的在線設計工具可以加快設計，實現產品的快速問市。該工具提供原理圖，物料清單，仿真和熱性能參數，并允許用戶定制化設計輸入，包括元件選擇，PCB布局走線和輸入電壓（圖9）。

圖8：第3代SupIRBuck產品系列

圖9：SupIRBuck在線設計和仿真工具

結語
典型地，復雜的應用需要多路電源來為多個子系統(tǒng)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(guī)格差異。電源轉換器設計的挑戰(zhàn)是找到一個通用的設計平臺，易于在寬電流范圍進行擴展，同時實現占位空間最小化、頻率最大化及工業(yè)級的魯棒性。