混合集成電路DC/DC變換器的設計與應用

傳統的采用分離器件設計的電源變換電路具有很多缺點(diǎn)：電路設計與開(kāi)發(fā)周期冗長(cháng)；由于具有較高的寄生參數，電路性能較低；所設計電路具有較大的解決方案尺寸；器件選型困難；分離器件較多，系統電路存在可靠性問(wèn)題。

但隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展，出現了混合集成電路設計的概念，從而克服了采用分離器件設計電路所存在的問(wèn)題。混合集成電路DC/DC系統相對于傳統的用分離器件設計的電源變換電路系統來(lái)說(shuō)，具有高性?xún)r(jià)比、高可靠性、高速度、設計周期短等一系列的優(yōu)點(diǎn)。

本文結合Fairchild公司設計的系列產(chǎn)品，對混合集成電路DC/DC變換器的設計原理、性能及應用等進(jìn)行了分析研究。

混合集成電路DC/DC變換器的集成化設計方案

根據用戶(hù)需求和設計的目的不同，Fairchild公司推出的混合集成電路DC/DC變換器主要采用兩種設計方案。而每一種設計方案，電路的設計上又有細微的差別，可以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需要。

1 混合集成電路DC/DC變換器設計方案1

在混合集成電路DC/DC變換器中，內部電路集成了控制器、驅動(dòng)器和MOSFET等三種離散器件。對于每一類(lèi)產(chǎn)品，其內部電路設計采用的離散器件可以包括三種離散器件中的全部或部分，具體的設計可根據用戶(hù)的實(shí)際需要進(jìn)行設計?；旌霞呻娐稤C/DC變換器設計方案1的電路原理如圖1所示。

圖1 混合集成電路DC/DC變化器設計方案1

從混合集成電路DC/DC變換器設計原理圖可以看出，該電路中主要包括控制器、驅動(dòng)器和MOSFET等有源器件模塊。在實(shí)際使用時(shí)，電源輸出端需要外接電感、電容等器件對輸出電壓信號進(jìn)行濾波；同時(shí)，輸出的電壓信號需要接到電路的反饋引腳上，以保證電路的正常工作。

采用本方案設計的混合集成電路DC/DC變換器含有控制器、驅動(dòng)器和MOSFET等有源器件，其整機效率可以高達95%，電源變換系統性能高，相對于標準模塊具有更高的性?xún)r(jià)比。

采用本方案設計的混合集成電路DC/DC變換器產(chǎn)品有FAN5029、FAN5069等。器件寄生效應低，輸出電壓紋波低，溫度范圍寬。

2 混合集成電路DC/DC變換器設計方案2

混合集成電路DC/DC變換器設計方案2是在一片混合集成電路DC/DC的設計中采用了兩片專(zhuān)用或優(yōu)化了MOSFET的同步BUCK電源轉換拓撲結構，其電路原理如圖2所示。

圖2 混合集成電路DC/DC變化器設計方案2

采用方案2設計的混合集成電路DC/DC變換器中，兩個(gè)MOSFET器件具有互補的作用，以降低開(kāi)關(guān)損耗，而這兩個(gè)器件的設計位置可根據設計者的實(shí)際需要進(jìn)行布局。該芯片還內置直通保護電路，可以有效防止電路上下橋臂的直通，大大地提高了電路的可靠性。在驅動(dòng)電路設計部分，不僅比常規的電源變換設計增加了驅動(dòng)能力，減少MOSFET的開(kāi)通關(guān)斷損耗，還把Boost-trap二極管也集成在芯片內部，以簡(jiǎn)化外部用戶(hù)系統電路的設計。

DC/DC變換器的電壓輸出端需要外接電感和電容，對輸出電壓信號進(jìn)行濾波，以滿(mǎn)足用戶(hù)系統電路的需要。變換器輸出的電壓信號需要接到芯片的反饋引腳上，以保證電路的正常工作。

采用此方案設計的混合集成電路DC/DC變換器產(chǎn)品有FDMF6700、FDMF8700等。器件中采用驅動(dòng)集成電路加兩個(gè)功率MOSFET的設計方法，寄生效應極低，輸出電壓紋波低，工作溫度范圍寬，且節省了大量的板空間。

接口設計

采用Fairchild公司DC/DC變換器方案設計的電源變換器具有較大的電壓輸入范圍，可根據需要在3.3～24V之間調整，該公司DC/DC變換器的輸出電流可達到30A，輸出電壓范圍根據需要可設計為高到輸入電壓的90%或低到0.8V。

Fairchild公司的DC/DC變換器除了基本的電壓輸入、輸出端口外，一般還有HDRV（上橋臂MOSFET驅動(dòng)引腳）、LDRV（下橋臂MOSFET驅動(dòng)引腳）、GLDO（門(mén)驅動(dòng)信號引腳）、DISB（禁止信號引腳）、PWM（脈寬調制信號引腳）、BOOT（反饋信號引腳）等信號端口，具體到各型器件則會(huì )有微小的差異。

功耗情況

消費類(lèi)電子產(chǎn)品由于使用環(huán)境以及自身條件的限制，用戶(hù)對所選用器件的功耗要求非?？量?，尤其是電源變換器等便攜式設備。

以Fairchild公司的產(chǎn)品為例，其混合集成電路DC/DC變換器采用集成化方案設計，并力求減小MOSFET的開(kāi)通關(guān)斷損耗，整機效率可高達95%。由于該變換器具有較高的轉換效率，因此內部電路熱損耗低，在實(shí)際使用中只需要使用較小的散熱器或不用散熱器，從而可以降低系統電路的總體設計成本。

封裝形式與尺寸

由于數碼相機、攝像設備、媒體播放器、桌面電腦等電子設備的外型力求小巧，因此這類(lèi)產(chǎn)品對內部電路設計中器件的選用也同樣要求小巧而高效。

很多電源公司都采用了更小更薄的封裝形式，以節省系統電路的設計空間。如Fairchild 公司的FAN5069采用TSSOP-16封裝形式，尺寸僅為1.1mm5mm6.4mm；FDMF8700采用SMD封裝形式，尺寸僅為0.8mm8mm8mm。

混合集成電路DC/DC變換器的在系統應用

混合集成電路DC/DC變換器在系統電路中應用時(shí)，需要提供必要的外接器件和控制信號。

在變換器的輸入端，需要輸入合適的控制信號及直流電壓，以保證電路內部的各分離器件按設計的意圖工作。同時(shí)，為了濾除輸入電壓信號上的噪聲，建議在輸入電壓和地之間接入旁路電容，其容值應大于1μF。

在變換器的電壓輸出端需要接入合適參數的電感、電容，以濾除輸出電壓上的噪聲?；旌霞呻娐返妮敵鲭妷盒枰ㄟ^(guò)自舉電容接到電路的反饋引腳，以保證電路能夠正常工作。

混合集成電路FDMF8700為Fairchild公司推出的采用混合集成電路設計方案2的一種產(chǎn)品，其特點(diǎn)有：輸入電壓典型值12V，開(kāi)關(guān)頻率最大可達500kHz，輸出電流最大可達30A，器件內在的適應性門(mén)驅動(dòng)，內部集成的自舉二極管，器件最高效率大于90%，低壓鎖定，輸出電壓可禁止，采用微型SMD封裝形式，產(chǎn)品制造使用無(wú)鉛材料。FDMF8700電源變換器的典型應用電路如圖3所示。

圖3 FDMF8700電源變化器的典型應用電路圖

圖3的電路中，DISB端為輸出禁止信號，可以方便地開(kāi)關(guān)整個(gè)電源。PWM端為脈寬調制信號，用來(lái)驅動(dòng)上橋臂和下橋臂的MOSFET，V_IN和V_CIN端為輸入電壓信號，V_OUT端為輸出電壓信號，輸出電壓通過(guò)自舉電容C_BOOT反饋到變換器的BOOT端。詳細電路設計請參照該芯片的技術(shù)說(shuō)明書(shū)。

上圖應用電路中輸入信號和各外接器件參數的選取可根據用戶(hù)實(shí)際需要來(lái)具體確定。

結語(yǔ)

本文以Fairchild推出的系列產(chǎn)品為例對混合集成電路DC/DC變換器的設計與應用進(jìn)行了分析研究。

由于分散式電源系統需要重復布線(xiàn)，尤其是當電路中需要的低壓直流電源種類(lèi)較多，如+5V、12V等，則電源布線(xiàn)多而繁瑣，混合集成電路DC/DC變換器的應用可以在單一母線(xiàn)電壓（如+24V）供電的情況下，根據電路的實(shí)際需要，提供各種低壓直流工作電源。

混合集成電路DC/DC的應用已涉及到各行各業(yè)，在普通消費領(lǐng)域、航空航天與汽車(chē)領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。