满足复杂DC-DC功率转换要求的解决方案

时间：2008-11-17 21:55:00

关键字： DC-DC 功率转换 MOSFET DC-DC转换器

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引言

在测试测量设备或嵌入式计算等工业应用中，嵌入式DC-DC转换器的系统架构可能相当复杂，在输出电压和电流、纹波、EMI及上电顺序等许多不同方面都有相关要求。本文主要探讨了DC-DC应用中转换器功率级选择的影响。

先进嵌入式DC-DC转换器的要求

许多工业系统，如测试测量设备，都需要嵌入式DC-DC转换器，是因为这些应用所需的计算能力日益增加。这种计算能力由DSP、FPGA、数字ASIC和微控制器提供，而得益于工艺几何尺寸的日益缩小，该类器件在不断的进步。另一方面，这也带来了三大要求：第一，电源电压越来越低 (当然，还有容许的电压纹波和负载变化)；其次，电源电流逐渐变大；第三，这些IC通常需要为内核和I/O结构以准确的顺序提供单独的电压，以避免闩锁现象的发生。

嵌入式DC-DC转换器必须具有出色的效率。这类转换器的可用空间很小，对于热设计尤其具有挑战性，因为嵌入式转换器主要依赖PCB上元件周围的铜面积来改善系统热阻抗。由于功耗与电流的平方成正比，随着负载电流的增加，这种情形会更加恶化。因此这时需要低导通阻抗RDSON、低开关损耗的电源开关。不过鉴于器件的导通阻抗RDSON越低，寄生电容乃至开关损耗就越高，最终功耗也越高，故必需进行一定的权衡取舍。嵌入式DC-DC转换器的另一个主要要求是EMI必需低。这些转换器产生的噪声会对周围的电路造成干扰，因而必须尽可能地小。不过，高速 (以降低开关损耗) 转换大电流 (若负载所需) 不可避免地会产生很大的开关噪声，包括传导噪声和辐射噪声 (主要是磁场)。因此，必需特别关注功率级元件选择和布局的优化，尤其是在驱动器连接方面。此外，PWM控制拓扑也有一定影响。

举例来说，采用0.09μm技术的数字IC可能需要1.2V ± 40mV的电源电压。根据该DSP的数据表，其电源电流可高达952mA。另一个例子是65nm工艺制造的大尺寸FPGA，1.0V +/-50mV电源电压、85℃时，需要4.2 A的闲置电源电流。在工作模式下，按照具体配置情况，电流可增至18A，因在高开关频率下，动态要求非常高。

这些应用中包含多个不同IC相当常见，譬如，由一个较小的微控制器 (电源电压较高时) 来负责所有的接口和主机功能，利用一个较大的DSP或专用硬件来执行计算密集型功能。很多时候，还专门使用另有一套电压要求的高性能A/D转换器来改善噪声性能，真正充分利用这些转换器的分辨率和带宽。这些趋势催生出具有众多相倚关系的复杂的功率管理系统。

模块化控制提升系统设计

一个应用建议是把DC-DC转换器尽可能靠近负载放置。这样做可以把EMI降至最低、减小宽的大电流线迹所占用的板空间，并改进转换器的动态特性。“分布式”功率管理系统应运而生，在这种系统中，所有转换器都理想地彼此相连。能够与其它转换器在网络中协同工作的一个控制器例子是FD2004，如图1的模块示意图所示。

FD2004是Digital-DC产品系列的一员，整合了数字环路控制和高集成度功率管理功能。这种控制器及其同系列产品，可通过SMBus (系统管理总线) 与主控制器和其它DC-DC转换器相连接，轻松实现许多不同的功能，如转换器的系统内配置、上电顺序、余量功能 (margining)、故障保护以及系统监控。所有这些功能都有助于缩短上市时间，更重要的是，提高系统可靠性。

FD2004可以与外部栅极驱动器 (如FD1505) 和分立式MOSFET，或是集成了驱动器与MOSFET的单封装DrMOS产品协同工作。它还可以在独立式应用中通过电阻来编程—特别地，输出电压的最大值由电阻设定，且利用软件命令设定的电压最大值不得超过10%以上，以保护负载。在需要较大电流的应用中，如多相转换器，所选的架构可实现多达8个相位的电流共享，而且可在输出功率较低时实现切相 (phase shedding) 来保持高效率。该款控制器基于带自适应性能算法和环路补偿的数字控制环路，支持高达1.4MHz的开关频率。时钟同步可协助提升EMI性能。对于同时需要集成式驱动器和分立式外部MOSFET的应用，FD2006也是个不错的选择。

对输出电流较低的系统电压，集成式DC-DC转换器值得推荐，此时，PCB面积和易于使用都是最重要的考虑因素。数字转换器，如FD2106 (6A max)，象Digital-DC系列的其它产品一样具有通信功能，可与分立式MOSFET或基于DrMOS等能提供更大电流的转换器一起使用。对独立式应用而言，由于不需要与系统内其它转换器连接，还可以采用集成式转换器 (如飞兆半导体的FAN2106)。

数字功率管理系统的控制器和转换器链可通过图形用户接口来控制，很容易对所有参数和系统性能监控进行修正。这种软件运行在PC机上，并经由USB接口与控制器连接。当参数全都良好时，它们被储存在控制器的非易失性存储器中，这样PC机就不再需要运行系统了。

如图2所示的DC-DC功率级可采用不同方式设计，以同时获得最佳电气性能和热性能。

1.带驱动器和MOSFET的分立式解决方案现在仍在普遍使用。为满足所有设计要求，现在飞兆半导体提供的采用小尺寸热性能增强型MLP(QFN) 封装的产品，可获得高系统性能。MOSFET实现了首先采用MLP封装(见图3所示)。其Power56和Power33产品系列采用最新的PowerTrench技术，能够同时提供超低RDSon 和低Qg，从而适用于高开关频率应用。键合技术可减小封装的电感，提高封装有限的ID ，适用于大电流应用。其低端FET产品组合采用SyncFET集成了肖特基二极管，在实现高开关性能的同时降低了热耗。

FDMS9600S在一个不对称的Power56封装内集成了一个高端FET和一个低端SyncFET，可进一步提高热性能，并实现小尺寸的紧凑型PCB设计 (图4)。

2.上述带驱动器和MOSFET的分立式解决方案也备有8x8mm或6x6mm MLP封装的MCM(多芯片模块)。这些DrMOS(DriverMOS)产品系列包括 8x8mm产品FDMD87xx和6x6mm产品FDMF67xx，可满足不同的设计要求。而评估板则可协助设计人员熟悉应用，并测试性能以便与分立式解决方案相比较(图5)。

带有Power56 MOSFET和SO-8驱动器的分立式解决方案的板卡占位面积在120mm2左右，而MCM只需要64mm2或36mm2。后者模块中的各个器件经精心挑选并全面优化，相比分立式解决方案其性能更高，热性能也更好 (图6和图7)。受电脑行业的推动，这种解决方案可使电流高达30A，并针对最高1MHz的开关频率优化。甚至在大电流设计中即使考虑到热设计规则，也无需散热器，因系统中空气流对于该芯片散热是足够的。

3.最终全集成开关将使功率级设计更迅速易行。除了Digital-DC系列的FD2106之外，FAN210x TinyBuck系列也可为3A FAN2103和6A FAN2106应用提供全集成同步降压功能 (图8)。

整个IC采用MLP封装，大小仅5x6mm，有助于设计的紧凑性，同时可实现最佳热性能和高效率。

更高的集成度乍看似乎会导致更高的材料清单 (BOM) 成本，但综合考虑所有的优势，如节省空间、热性能更好、无源元件更少等，事实上反而会降低最终的系统成本。这样一种全集成的解决方案还支持高系统可靠性，因为元件越少意味着故障风险越低，而且考虑到热设计规则，更低的系统温度也十分重要。

在设计任务中，热设计是非常重要的一环。利用现今的MOSFET、DrMOS或栅极驱动器，一般可获得相当好的结到管壳热阻抗，但管壳到周围环境的热阻抗取决于设计，且通常要高得多。在大多数系统中，若只利用PCB，热阻抗 (管壳到周围环境) 在40K/W左右，最好的设计能够达到25K/W 这仍比结到管壳热阻抗高很多，对MOSFET而言，后者的典型值为2K/W。因此，PCB的热设计非常重要，因为这两个热阻抗都是串联的，并影响PCB的最高温度，而这通常正是限制因素 (若结到管壳热阻抗低，结温就不可能比PCB的高太多)。

对于更大的电流，为了让热量扩散到更大的表面上，多相的分立式解决方案(如2-3个DrMOS器件) 是首选。另一个权衡是开关频率―如果不是因EMI要求或空间限制而预先确定 (利用更高的开关频率来减小无源元件的尺寸)，更低的开关频率有助于降低开关损耗，并最终降低温度。

至于版图布局，金属较多显然很有助益。更厚的顶层有助于降低温度，不过也许对PCB的其余部分并不适合，因为成本增加了，其它元件需要的更精细的间距也不可能实现。更大的铜面积很有用，但又会消耗PCB空间。这些应该尽可能由焊料覆盖，因为金属表面比涂漆表面的散热性更好。在多层PCB中，有时利用内层来协助散热。热通孔 (填充焊料) 有时可用来把热量扩散到PCB的另一面去 (图9)。