先進(jìn)嵌入式DC-DC轉換器的要求

　　帶有Power56 MOSFET和SO-8驅動(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30A,并針對最高1MHz的開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化。甚至在大電流設計中即使考慮到熱設計規則,也無(wú)需散熱器,因系統中空氣流對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)。

　　整個(gè)IC采用MLP封裝,大小僅5x6mm,有助于設計的緊湊性,同時(shí)可實(shí)現最佳熱性能和高效率。

　　更高的集成度乍看似乎會(huì )導致更高的材料清單 (BOM) 成本,但綜合考慮所有的優(yōu)勢,如節省空間、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(zhù)故障風(fēng)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(wù)中,熱設計是非常重要的一環(huán)。利用現今的MOSFET、DrMOS或柵極驅動(dòng)器,一般可獲得相當好的結到管殼熱阻抗,但管殼到周?chē)h(huán)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?chē)h(huán)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(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(gè)DrMOS器件) 是首選。另一個(gè)權衡是開(kāi)關(guān)頻率D如果不是因EMI要求或空間限制而預先確定 (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(shí)現。更大的銅面積很有用,但又會(huì )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(shí)利用內層來(lái)協(xié)助散熱。熱通孔 (填充焊料) 有時(shí)可用來(lái)把熱量擴散到PCB的另一面去 (圖9)。

　　對于強迫空氣對流式的系統,元件布局時(shí)需注意的是,不要把轉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

　　現代嵌入式DC-DC轉換器受益于眾多不同的技術(shù)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(guān)系顯示出,可以對工作在網(wǎng)絡(luò )中的DC-DC轉換器進(jìn)行優(yōu)化,并獲得最低功耗。