先進(jìn)嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器的要求

　　帶有Power56 MOSFET和SO-8驅(qū)動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7)。受電腦行業(yè)的推動,這種解決方案可使電流高達(dá)30A,并針對最高1MHz的開關(guān)頻率優(yōu)化。甚至在大電流設(shè)計(jì)中即使考慮到熱設(shè)計(jì)規(guī)則,也無需散熱器,因系統(tǒng)中空氣流對于該芯片散熱是足夠的。

　　3.最終全集成開關(guān)將使功率級設(shè)計(jì)更迅速易行。除了Digital-DC系列的FD2106之外,FAN210x TinyBuck系列也可為3A FAN2103和6A FAN2106應(yīng)用提供全集成同步降壓功能 (圖8)。

　　整個IC采用MLP封裝,大小僅5x6mm,有助于設(shè)計(jì)的緊湊性,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)最佳熱性能和高效率。

　　更高的集成度乍看似乎會導(dǎo)致更高的材料清單 (BOM) 成本,但綜合考慮所有的優(yōu)勢,如節(jié)省空間、熱性能更好、無源元件更少等,事實(shí)上反而會降低最終的系統(tǒng)成本。這樣一種全集成的解決方案還支持高系統(tǒng)可靠性,因?yàn)樵缴僖馕吨收巷L(fēng)險(xiǎn)越低,而且考慮到熱設(shè)計(jì)規(guī)則,更低的系統(tǒng)溫度也十分重要。

　　在設(shè)計(jì)任務(wù)中,熱設(shè)計(jì)是非常重要的一環(huán)。利用現(xiàn)今的MOSFET、DrMOS或柵極驅(qū)動器,一般可獲得相當(dāng)好的結(jié)到管殼熱阻抗,但管殼到周圍環(huán)境的熱阻抗取決于設(shè)計(jì),且通常要高得多。在大多數(shù)系統(tǒng)中,若只利用PCB,熱阻抗 (管殼到周圍環(huán)境) 在40K/W左右,最好的設(shè)計(jì)能夠達(dá)到25K/W 這仍比結(jié)到管殼熱阻抗高很多,對MOSFET而言,后者的典型值為2K/W。因此,PCB的熱設(shè)計(jì)非常重要,因?yàn)檫@兩個熱阻抗都是串聯(lián)的,并影響PCB的最高溫度,而這通常正是限制因素 (若結(jié)到管殼熱阻抗低,結(jié)溫就不可能比PCB的高太多)。

　　對于更大的電流,為了讓熱量擴(kuò)散到更大的表面上,多相的分立式解決方案(如2-3個DrMOS器件) 是首選。另一個權(quán)衡是開關(guān)頻率D如果不是因EMI要求或空間限制而預(yù)先確定 (利用更高的開關(guān)頻率來減小無源元件的尺寸),更低的開關(guān)頻率有助于降低開關(guān)損耗,并最終降低溫度。

　　至于版圖布局,金屬較多顯然很有助益。更厚的頂層有助于降低溫度,不過也許對PCB的其余部分并不適合,因?yàn)槌杀驹黾恿?其它元件需要的更精細(xì)的間距也不可能實(shí)現(xiàn)。更大的銅面積很有用,但又會消耗PCB空間。這些應(yīng)該盡可能由焊料覆蓋,因?yàn)榻饘俦砻姹韧科岜砻娴纳嵝愿?。在多層PCB中,有時(shí)利用內(nèi)層來協(xié)助散熱。熱通孔 (填充焊料) 有時(shí)可用來把熱量擴(kuò)散到PCB的另一面去 (圖9)。

　　對于強(qiáng)迫空氣對流式的系統(tǒng),元件布局時(shí)需注意的是,不要把轉(zhuǎn)換器放在其它更大尺寸元件的“風(fēng)陰影”里。建議把控制器置于MOSFET的上游,這樣不會增加多少功耗,而在較低外殼溫度下工作更可靠。

　　小結(jié)

　　現(xiàn)代嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器受益于眾多不同的技術(shù)方案,能夠提高系統(tǒng)性能和可靠性,并降低成本。在獨(dú)立式轉(zhuǎn)換器或互連數(shù)字轉(zhuǎn)換器之間的控制端上,以及在集成式或分立式解決方案之間的功率級端上的相倚關(guān)系顯示出,可以對工作在網(wǎng)絡(luò)中的DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行優(yōu)化,并獲得最低功耗。