采用集成DC-DC轉(zhuǎn)換器的分布式電源系統(tǒng)介紹

傳統(tǒng)的分布式電源架構(gòu)采用多個(gè)隔離型DC-DC電源模塊將48V總線電壓轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)電源電壓，如5V、3.3V和2.5V。然而該配置很難滿足快速響應(yīng)的低壓處理器、DSP、ASIC以及DDR存儲(chǔ)器的負(fù)載要求。這類器件對(duì)電源提出了更加嚴(yán)格的要求：非常快的瞬態(tài)響應(yīng)、高效率、低電壓以及緊湊的電路板尺寸。

引言

通過使用單個(gè)大功率、隔離型DC-DC模塊將48V電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)中等電源，如12V或更低電壓，可以獲得較好的系統(tǒng)性能。將這一中等電壓再轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)負(fù)載所要求的具體電壓。這樣的電壓轉(zhuǎn)換可以通過非隔離、負(fù)載點(diǎn)電源實(shí)現(xiàn)，如圖1右側(cè)框圖所示。對(duì)于第二級(jí)電源轉(zhuǎn)換，集成開關(guān)穩(wěn)壓器是非常理想的選擇，因?yàn)檩斎腚妷?≤ 12V)和輸出電流( 10A)相對(duì)較低。


圖1. 與電信單板上傳統(tǒng)的分布電源架構(gòu)(左邊)相比，集成開關(guān)調(diào)節(jié)器(右邊)具有更高效率和可靠性，能夠加快設(shè)計(jì)進(jìn)程、縮小電路板面積。

采用集成開關(guān)調(diào)節(jié)器的優(yōu)勢(shì)

電子行業(yè)的很多領(lǐng)域，包括電源電子行業(yè)，其共同目標(biāo)是集成系統(tǒng)元件，以降低總體成本、提高可靠性，并且盡可能縮小PCB面積。在過去的二十年，電源管理IC制造商開展了大量工作，在芯片內(nèi)部集成眾多功能，以滿足隔離、非隔離型DC-DC轉(zhuǎn)換應(yīng)用的需求。

集成開關(guān)電源在一個(gè)封裝中集成了MOSFET、柵極驅(qū)動(dòng)器以及用于DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換的PWM控制器，這已不再是新的概念。當(dāng)前所面臨的問題是如何提高這些器件的輸出電流能力以及增強(qiáng)此類器件的功能。它們非常適合現(xiàn)代通信單板中分布式電源所要求的緊湊、多通道負(fù)載點(diǎn)電源，能夠?qū)?dòng)態(tài)負(fù)載提供卓越的瞬態(tài)響應(yīng)。

為通信系統(tǒng)板設(shè)計(jì)、開發(fā)、測(cè)試電源會(huì)占用單板開發(fā)過程相當(dāng)多的時(shí)間。除PCB布局所花費(fèi)的時(shí)間外，電源開發(fā)中一個(gè)主要問題是解決布局相關(guān)的問題，這些問題包括：不合理的功率級(jí)布局、不恰當(dāng)接地、將敏感的模擬走線布在電流和電壓快速變化的電源線附近、沒有為電壓和電流檢測(cè)提供開爾文連接、EMI超標(biāo)、去耦電容的位置不正確等。當(dāng)電源采用多個(gè)外圍分立元件時(shí)，這些問題中極有可能產(chǎn)生布板錯(cuò)誤。

相反，集成開關(guān)調(diào)節(jié)器將功率級(jí)(MOSFET和柵極驅(qū)動(dòng)器)和電流檢測(cè)功能集成到了器件內(nèi)部，從而消除了與PCB相關(guān)的諸多問題，進(jìn)而避免了大部分布板問題。不僅如此，集成開關(guān)調(diào)節(jié)器的引腳配置在設(shè)計(jì)中也有意避開了元件布局和接地問題。集成開關(guān)調(diào)節(jié)器通常提供結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)過優(yōu)化與驗(yàn)證的PCB布局，有助于縮短開發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市。

由于現(xiàn)代電信系統(tǒng)環(huán)境需要高性能、小尺寸設(shè)計(jì)，PCB空間變得更加緊張。將功率級(jí)和PWM控制器集成到芯片內(nèi)部能夠有效節(jié)省空間；集成開關(guān)調(diào)節(jié)器能夠工作在較高的工作頻率，允許使用小尺寸的輸入/輸出電容、電感及其它濾波電容，與分立方案相比，進(jìn)一步節(jié)省了電路板空間。較高的工作頻率還能夠設(shè)計(jì)較寬的控制環(huán)路帶寬，支持快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

電源轉(zhuǎn)換效率是衡量電源性能的重要指標(biāo)，這也是用開關(guān)電源替代線性穩(wěn)壓器的主要原因。當(dāng)然，開關(guān)轉(zhuǎn)換器會(huì)引入較高的噪聲和EMI。開關(guān)電源的功耗包括：傳導(dǎo)損耗(與MOSFET導(dǎo)通電阻R_DS(ON)有關(guān))和開關(guān)損耗(與MOSFET在通、斷狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換速度有關(guān))。工作頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗占主導(dǎo)地位，因?yàn)槊棵腌姲l(fā)生多次的MOSFET開、關(guān)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗，該電路控制MOSFET的開啟、關(guān)閉。對(duì)于采用分立MOSFET和柵極驅(qū)動(dòng)器的電源來說，由于具有MOSFET引腳電感和引線電感等寄生參數(shù)，因此高頻時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)阻抗較大。集成開關(guān)調(diào)節(jié)器通過將柵極驅(qū)動(dòng)器和MOSFET集成在單個(gè)封裝內(nèi)，降低了寄生元件，從而在高頻時(shí)提供更快的轉(zhuǎn)換時(shí)間和更好的效率。

熱管理是大型系統(tǒng)中電源設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。在負(fù)載點(diǎn)架構(gòu)中，電源轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的熱量分布在各個(gè)集成開關(guān)調(diào)節(jié)器內(nèi)，而非集中在一個(gè)電源模塊。集成開關(guān)調(diào)節(jié)器效率越高，所產(chǎn)生的熱量越少。除此之外，集成開關(guān)調(diào)節(jié)器通常采用增強(qiáng)散熱封裝，將裸焊盤直接焊接在PCB上，并通過散熱過孔(直徑8mil至12mil)將熱量傳導(dǎo)至地平面(地平面將熱量擴(kuò)散到整個(gè)單板，從而不需要使用龐大的散熱器)。最后，熱關(guān)斷電路直接控制集成開關(guān)電源，能夠在發(fā)生過熱時(shí)提供有效保護(hù)，避免器件損壞，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

集成開關(guān)調(diào)節(jié)器提供多種封裝以及較寬的輸入電壓(3V至12V)范圍和輸出電流( 1A至10A)范圍。低功率器件的封裝有：SOT、MSOP以及TSSOP。大功率器件采用QFN、BGA等封裝形式，能夠耗散較大功率。

結(jié)論

集成開關(guān)調(diào)節(jié)器是現(xiàn)代電信系統(tǒng)中等電源總線的理想選擇。與基于分立MOSFET、柵極驅(qū)動(dòng)器和控制器的調(diào)節(jié)器相比，集成方案可以大大縮短產(chǎn)品上市時(shí)間、節(jié)省空間、提高效率、簡化系統(tǒng)熱管理，并具有更高的可靠性。