使用动态功率控制方案，降低IDAC驱动中的产生的热量

当电流型DAC(IDAC)驱动它们的负载时,通道供电电压(PVDS)和输出负载电压之间的差异会在负载上下降。这导致芯片内功率耗散,因此可能导致模具温度过高,影响可靠性,并降低整体系统效率。

本文详细介绍了一种简单的实现动态功率控制的电流型DAC转换器IDAC使用一个精确的模拟微控制器作为主机和一个单感应多输出(Simo)开关调节器,以减少解决方案的尺寸。在动态功率控制下,IDAC电源电压保持在一定的最低水平,以保持IDAC信道在任何给定输出电流和负载电压下的运行,从而最大限度地减小芯片上的功率耗散。

IDAC的产出阶段

IDAC的简化输出阶段如图1所示。值得注意的是当前BUY(下沉)的输出PMO驱动阶段。MOS级的源连接到负载,因此负载电压决定IDAC的功能。负载电压应该足够低(或对电流接收器来说足够高),以保持输出设备在饱和状态,从而保持高输出阻抗,以驱动负载的准确定义电流。

图1IDAC的输出阶段

热约束

因此,IDAC的输出阶段将会降低任何头空间,即电源和负载电压之间的差,同时也要寻找输出电流。这导致输出阶段的功率耗散,从而提高了设备的温度。芯片功率耗散只是头室电压和输出电流的产物。

芯片上的功率耗散可以将模具的连接温度提高到超过推荐的操作限制,并且可能是具有大通道密度或环境温度较高的系统的主要关注点。

考虑到IDAC通道为300 mA到10 Ω，IDAC电源PVDD为3.5 V，相应的负载电压VOUT为3V，如图1所示。因此，净空电压为0.5 V，片上功耗约为0.5 V×300 mA = 0.15 W。如果IDAC通道产生低于全尺度的电流或负载阻抗降低，负载电压降低，在输出MOS级降低多余的净空，表现为片上散热。

器件的结温度与功率耗散有关，如式1所示。

说明

TJ为结点温度。

PDISS是片上的功耗。θ 是的 通常在数据表中提供的连接热阻。

T A 是环境温度。

另一种查看方程1的方法是确定给定功率耗散量的装置所允许的最大环境温度,如方程2所示。

在一个49球WLCSP包中,最大连接温度T J(MAX) 温度不能超过115℃ 是的 该包件为30℃/西经。在前一个示例中,对于一个耗散P的IDAC信道 光盘 在内部0.15%度,温度上升为0.15%度30度/度=4.5度。最大安全环境温度降至110.5℃。

如果一个包中有四个通道,每个通道内部耗散0.15%瓦,则芯片上的总耗散功率为0.6%瓦。四个通道引起的温度上升 光盘 × θ 是的 =0.6%x30°C/西经=18°C。因此,最大安全环境温度仅为97℃。

由于目前光通信系统对信道密度的要求越来越高,因此开始发现 a(最大) 在最终应用中可能会引起关注。多通道电流输出DACS驱动光负载,如激光二极管、硅光学放大器和硅光电倍数器在一个板或系统上是很常见的。此外,密集的填料意味着系统温度的显著上升.

动态功率控制

利用动态变PVDS电源电压(又称动态功率控制(DPC))改进了芯片功耗过大的问题。DPC的目的是提供PVDS电源电压,使IDAC信道能够在任何给定的输出电流和负载电压下正常工作。

DPC可以有不同类型的实现。其中一种方法是使用ADC来感知负载电压,然后用单片机计算所需的PVDS电压。然后,这个电源电压可以由另一个电压或电流源/接收器或甚至使用的IDAC的另一个通道设定。

反馈可以通过多种方式实现pvds的更改。图2和图3提供了使用电压或电流输出反馈,以保证具有反馈(FB)节点的可编程输出的开关模式调节器的输出。

图2用电压输出DACS改变直流-直流转换器的输出。

图3使用电流源/汇DACS改变直流转换器的输出。

本文所描述的解决方案显示了IDAC动态功率控制的简单实现 AD5770R 使用精密模拟微控制器 ADUCM410 作为主机和模拟开关调节器 MAX77655 .这一解决方案可以为其他IDAC家庭与其他转换调节器,都来自于农业发展指数。MAX77655便于使用i2c总线控制其输出电压,因此不需要如前所述的反馈。

动态功率控制测试

图4展示了用于演示动态功率控制的好处的完整系统设计。西莫调节器通道被用来驱动IDAC的个别pvds供电。主机微控制器用于控制调节器输出和IDAC输出电流。IDAC有一个内部诊断复用器来输出电流和负载电压的每个通道。采用主机控制器内置的模拟数字转换器(ADC)对IDAC的多路复用输出进行了感知和数字化处理。

图4实现动态功率控制解决方案.

DPC的算法可以有不同的形式,但可以大致分为两种类型:一种是IDAC驱动已知阻抗的情况,另一种是IDAC驱动未知或变化阻抗的情况。

对于已知的阻抗,微控制器可以执行一个计算,以获得所需的最小电源,并相应地设置PVDS电源电压。

对于未知的阻抗,或者更常见的是,对于在温度下出现不同阻抗的负载,主机控制器可以在pvds电源足够高时,首先感知负载电压。然后控制器可以将PVDS电源降至最佳值,即负载电压和最小头室电压的总和。然后,可以为每个IDAC通道代码更改触发这个步骤,或者在固定的时间间隔下触发,以适合最终应用程序的方式为准。

无论采用什么方法,注意的一个关键规格是IDAC的最小头室电压规格。PVDS电源电压与负载电压之间的任何差异都会被抛过IDAC输出级,从而导致芯片上的散热。

结果

为了演示的目的,图5中仅绘制了一个IDAC通道(IDAC5)的结果,该通道的整个电流范围为100ma,这是为了驱动一个22微米的负载。应当指出的是,IDAC的最低供电需求为2.5V,最低头室电压为0.275V。在主机微控制器上运行的固件代码必须遵守这些限制。

图5芯片功率耗散与PVDS电源电压的比较。

通过测量PVDS电源电压与负载电压之间的差来计算芯片内功率耗散。这两个案例都是这样做的--一个具有DPC,一个没有。在没有DPC的情况下,PVDS电源电压固定在2.5V,AVE=0V。

通过测量从3.3V电源输入到开关调节器的电流和IDAC的AVDPIN的电流,也可以注意到系统的总耗电量。图6显示了3.3V电源在0-100MA的整个电流范围内的总耗电量。

图6有和没有DPC的系统总耗电量。

图7和图8显示了在pvds和IDAC通道销上观测到的波纹图。由于IDAC是直接由开关调节器输出驱动的,如图4所示,根据IDAC的交流电源拒绝率(psrr)规范,预计会有一定的波动。交流PSRR是一种衡量输出电流拒绝交流变化的电源应用于反馈。通过优化Simo的输出电容器和(或)如果应用程序需要,在SimoPMII输出中使用滤波器,可以进一步去除波纹。这些图是在西莫输出和IDAC供电销之间使用LC滤波器获得的。建议使用低ESR的电感器作为IDAC可以产生或吸收大量电流。

图7.使用交流耦合输入的IDAC5 100 mA范围的全波纹图(AC耦合)。

图8.使用AC耦合输入的IDAC5 100 mA范围内的中型波纹图(AC耦合)。

Implementation

硬件实现可以根据最终应用程序采取不同的形式。图11显示了两种选择,一种是单极供电,仅包括MAX77655(顶部),另一种是双极供电,另一种是直流-直流转换器,即 ADP5073 (底部)补充提供负供电。在两种情况下,都没有显示单片机。从表面上看,两个选择都非常紧凑,分别适合于1.275'x0.605'和1.502'x0.918'的尺寸。这两个选项都没有经过评估,而是解决方案尺寸的紧密性的证明。结果用离散板得到.图9和图10显示了所谓解决方案的3D表现。

图9用单极供电的最终PCB的三维表现。

图10用双极供电的最终解决方案的3D表现。

图11使用模拟PMII作为电源解决方案的样例布局。顶部:单极供电。底部:两极供电。

结论

总之,动态功率控制在电流输出发压器上造成较小的芯片功耗,在不影响负载运行的情况下降低了总功耗。西莫拓扑开关调节器是一个理想的解决方案来驱动IDAC,如AD5770R,同时也是紧凑的布局和功率效率。