先進(jìn)嵌入式DC-DC轉換器的要求

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(jìn)嵌入式DC-DC轉換器的要求

　　許多工業(yè)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(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(fā)生。

　　嵌入式DC-DC轉換器必須具有出色的效率。這類(lèi)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(lài)PCB 上元件周?chē)你~面積來(lái)改善系統熱阻抗。由于功耗與電流的平方成正比,隨著(zhù)負載電流的增加,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)行一定的權衡取舍。嵌入式DC-DC轉換器的另一個(gè)主要要求是EMI必需低。這些轉換器產(chǎn)生的噪聲會(huì )對周?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) 轉換大電流 (若負載所需) 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)注功率級元件選擇和布局的優(yōu)化,尤其是在驅動(dòng)器連接方面。此外,PWM控制拓撲也有一定影響。

　　舉例來(lái)說(shuō),采用0.09μm技術(shù)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(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。

　　這些應用中包含多個(gè)不同IC相當常見(jiàn),譬如,由一個(gè)較小的微控制器 (電源電壓較高時(shí)) 來(lái)負責所有的接口和主機功能,利用一個(gè)較大的DSP或專(zhuān)用硬件來(lái)執行計算密集型功能。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轉換器來(lái)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(guān)系的復雜的功率管理系統。

　　模塊化控制提升系統設計

　　一個(gè)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(xiàn)跡所占用的板空間,并改進(jìn)轉換器的動(dòng)態(tài)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(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 (系統管理總線(xiàn)) 與主控制器和其它DC-DC轉換器相連接,輕松實(shí)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(shí)間,更重要的是,提高系統可靠性。

　　FD2004可以與外部柵極驅動(dòng)器 (如FD1505) 和分立式MOSFET ,或是集成了驅動(dòng)器與MOSFET的單封裝DrMOS產(chǎn)品協(xié)同工作。它還可以在獨立式應用中通過(guò)電阻 來(lái)編程—特別地,輸出電壓的最大值由電阻設定,且利用軟件命令設定的電壓最大值不得超過(guò)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(shí)現多達8個(gè)相位的電流共享,而且可在輸出功率較低時(shí)實(shí)現切相 (phase shedding) 來(lái)保持高效率。該款控制器基于帶自適應性能算法和環(huán)路補償的數字控制環(huán)路,支持高達1.4MHz的開(kāi)關(guān)頻率。時(shí)鐘同步可協(xié)助提升EMI性能。對于同時(shí)需要集成式驅動(dòng)器和分立式外部MOSFET的應用,FD2006也是個(gè)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(shí),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(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(guò)圖形用戶(hù)接口來(lái)控制,很容易對所有參數和系統性能監控進(jìn)行修正。這種軟件運行在PC機上,并經(jīng)由USB接口與控制器連接。當參數全都良好時(shí),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。