電源管理：滿(mǎn)足復雜DC-DC功率轉換要求

在測試測量設備或嵌入式計算等工業(yè)應用中，嵌入式DC-DC轉換器的系統架構可能相當復雜，在輸出電壓和電流、紋波、EMI及上電順序等許多不同方面都有相關(guān)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)?/FONT>電路造成干擾，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?！胺植际健惫β使芾硐到y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。

如圖2所示的DC-DC功率級可采用不同方式設計，以同時(shí)獲得最佳電氣性能和熱性能。

1.帶驅動(dòng)器和MOSFET的分立式解決方案現在仍在普遍使用。為滿(mǎn)足所有設計要求，現在飛兆半導體提供的采用小尺寸熱性能增強型MLP（QFN）封裝的產(chǎn)品，可獲得高系統性能。MOSFET實(shí)現了首先采用MLP封裝（見(jiàn)圖3所示）。其Power56和Power33產(chǎn)品系列采用最新的PowerTrench技術(shù)，能夠同時(shí)提供超低RDSon和低Qg，從而適用于高開(kāi)關(guān)頻率應用。鍵合技術(shù)可減小封裝的電感，提高封裝有限的ID，適用于大電流應用。其低端FET產(chǎn)品組合采用SyncFET集成了肖特基二極管，在實(shí)現高開(kāi)關(guān)性能的同時(shí)降低了熱耗。

FDMS9600S在一個(gè)不對稱(chēng)的Power56封裝內集成了一個(gè)高端FET和一個(gè)低端SyncFET，可進(jìn)一步提高熱性能，并實(shí)現小尺寸的緊湊型PCB設計（圖4）。

2.上述帶驅動(dòng)器和MOSFET的分立式解決方案也備有8x8mm或6x6mm MLP封裝的MCM（多芯片模塊）。這些DrMOS（DriverMOS）產(chǎn)品系列包括8x8mm產(chǎn)品FDMD87xx和6x6mm產(chǎn)品FDMF67xx，可滿(mǎn)足不同的設計要求。而評估板則可協(xié)助設計人員熟悉應用，并測試性能以便與分立式解決方案相比較（圖5）。

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

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