電源管理:滿足復(fù)雜DC-DC功率轉(zhuǎn)換要求
引言
在測試測量設(shè)備或嵌入式計算等工業(yè)應(yīng)用中,嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)架構(gòu)可能相當(dāng)復(fù)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(yīng)用中轉(zhuǎn)換器功率級選擇的影響。
先進(jìn)嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器的要求
許多工業(yè)系統(tǒng),如測試測量設(shè)備,都需要嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器,是因?yàn)檫@些應(yīng)用所需的計算能力日益增加。這種計算能力由DSP、FPGA、數(shù)字ASIC和微控制器提供,而得益于工藝幾何尺寸的日益縮小,該類器件在不斷的進(jìn)步。另一方面,這也帶來了三大要求:第一,電源電壓越來越低(當(dāng)然,還有容許的電壓紋波和負(fù)載變化);其次,電源電流逐漸變大;第三,這些IC通常需要為內(nèi)核和I/O結(jié)構(gòu)以準(zhǔn)確的順序提供單獨(dú)的電壓,以避免閂鎖現(xiàn)象的發(fā)生。
嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器必須具有出色的效率。這類轉(zhuǎn)換器的可用空間很小,對于熱設(shè)計尤其具有挑戰(zhàn)性,因?yàn)榍度胧睫D(zhuǎn)換器主要依賴PCB上元件周圍的銅面積來改善系統(tǒng)熱阻抗。由于功耗與電流的平方成正比,隨著負(fù)載電流的增加,這種情形會更加惡化。因此這時需要低導(dǎo)通阻抗RDSON、低開關(guān)損耗的電源開關(guān)。不過鑒于器件的導(dǎo)通阻抗RDSON越低,寄生電容乃至開關(guān)損耗就越高,最終功耗也越高,故必需進(jìn)行一定的權(quán)衡取舍。嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器的另一個主要要求是EMI必需低。這些轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的噪聲會對周圍的電路造成干擾,因而必須盡可能地小。不過,高速(以降低開關(guān)損耗)轉(zhuǎn)換大電流(若負(fù)載所需)不可避免地會產(chǎn)生很大的開關(guān)噪聲,包括傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲(主要是磁場)。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(qū)動器連接方面。此外,PWM控制拓?fù)湟灿幸欢ㄓ绊憽?/FONT>
舉例來說,采用0.09μm技術(shù)的數(shù)字IC可能需要1.2V±40mV的電源電壓。根據(jù)該DSP的數(shù)據(jù)表,其電源電流可高達(dá)952mA.另一個例子是65nm工藝制造的大尺寸FPGA,1.0V +/-50mV電源電壓、85℃時,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,因在高開關(guān)頻率下,動態(tài)要求非常高。
這些應(yīng)用中包含多個不同IC相當(dāng)常見,譬如,由一個較小的微控制器(電源電壓較高時)來負(fù)責(zé)所有的接口和主機(jī)功能,利用一個較大的DSP或?qū)S糜布韴?zhí)行計算密集型功能。很多時候,還專門使用另有一套電壓要求的高性能A/D轉(zhuǎn)換器來改善噪聲性能,真正充分利用這些轉(zhuǎn)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(fù)雜的功率管理系統(tǒng)。
模塊化控制提升系統(tǒng)設(shè)計
一個應(yīng)用建議是把DC-DC轉(zhuǎn)換器盡可能靠近負(fù)載放置。這樣做可以把EMI降至最低、減小寬的大電流線跡所占用的板空間,并改進(jìn)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)特性。“分布式”功率管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,在這種系統(tǒng)中,所有轉(zhuǎn)換器都理想地彼此相連。能夠與其它轉(zhuǎn)換器在網(wǎng)絡(luò)中協(xié)同工作的一個控制器例子是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(shù)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SMBus (系統(tǒng)管理總線)與主控制器和其它DC-DC轉(zhuǎn)換器相連接,輕松實(shí)現(xiàn)許多不同的功能,如轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)內(nèi)配置、上電順序、余量功能(margining)、故障保護(hù)以及系統(tǒng)監(jiān)控。所有這些功能都有助于縮短上市時間,更重要的是,提高系統(tǒng)可靠性。
FD2004可以與外部柵極驅(qū)動器(如FD1505)和分立式MOSFET,或是集成了驅(qū)動器與MOSFET的單封裝DrMOS產(chǎn)品協(xié)同工作。它還可以在獨(dú)立式應(yīng)用中通過電阻來編程—特別地,輸出電壓的最大值由電阻設(shè)定,且利用軟件命令設(shè)定的電壓最大值不得超過10%以上,以保護(hù)負(fù)載。在需要較大電流的應(yīng)用中,如多相轉(zhuǎn)換器,所選的架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)多達(dá)8個相位的電流共享,而且可在輸出功率較低時實(shí)現(xiàn)切相(phase shedding)來保持高效率。該款控制器基于帶自適應(yīng)性能算法和環(huán)路補(bǔ)償?shù)臄?shù)字控制環(huán)路,支持高達(dá)1.4MHz的開關(guān)頻率。時鐘同步可協(xié)助提升EMI性能。對于同時需要集成式驅(qū)動器和分立式外部MOSFET的應(yīng)用,F(xiàn)D2006也是個不錯的選擇。
對輸出電流較低的系統(tǒng)電壓,集成式DC-DC轉(zhuǎn)換器值得推薦,此時,PCB面積和易于使用都是最重要的考慮因素。數(shù)字轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器一起使用。對獨(dú)立式應(yīng)用而言,由于不需要與系統(tǒng)內(nèi)其它轉(zhuǎn)換器連接,還可以采用集成式轉(zhuǎn)換器(如飛兆半導(dǎo)體的FAN2106)。
數(shù)字功率管理系統(tǒng)的控制器和轉(zhuǎn)換器鏈可通過圖形用戶接口來控制,很容易對所有參數(shù)和系統(tǒng)性能監(jiān)控進(jìn)行修正。這種軟件運(yùn)行在PC機(jī)上,并經(jīng)由USB接口與控制器連接。當(dāng)參數(shù)全都良好時,它們被儲存在控制器的非易失性存儲器中,這樣PC機(jī)就不再需要運(yùn)行系統(tǒng)了。
如圖2所示的DC-DC功率級可采用不同方式設(shè)計,以同時獲得最佳電氣性能和熱性能。
1.帶驅(qū)動器和MOSFET的分立式解決方案現(xiàn)在仍在普遍使用。為滿足所有設(shè)計要求,現(xiàn)在飛兆半導(dǎo)體提供的采用小尺寸熱性能增強(qiáng)型MLP(QFN)封裝的產(chǎn)品,可獲得高系統(tǒng)性能。MOSFET實(shí)現(xiàn)了首先采用MLP封裝(見圖3所示)。其Power56和Power33產(chǎn)品系列采用最新的PowerTrench技術(shù),能夠同時提供超低RDSon和低Qg,從而適用于高開關(guān)頻率應(yīng)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(yīng)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(xiàn)高開關(guān)性能的同時降低了熱耗。
FDMS9600S在一個不對稱的Power56封裝內(nèi)集成了一個高端FET和一個低端SyncFET,可進(jìn)一步提高熱性能,并實(shí)現(xiàn)小尺寸的緊湊型PCB設(shè)計(圖4)。
2.上述帶驅(qū)動器和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,可滿足不同的設(shè)計要求。而評估板則可協(xié)助設(shè)計人員熟悉應(yīng)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(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
相關(guān)推薦
技術(shù)專區(qū)
- FPGA
- DSP
- MCU
- 示波器
- 步進(jìn)電機(jī)
- Zigbee
- LabVIEW
- Arduino
- RFID
- NFC
- STM32
- Protel
- GPS
- MSP430
- Multisim
- 濾波器
- CAN總線
- 開關(guān)電源
- 單片機(jī)
- PCB
- USB
- ARM
- CPLD
- 連接器
- MEMS
- CMOS
- MIPS
- EMC
- EDA
- ROM
- 陀螺儀
- VHDL
- 比較器
- Verilog
- 穩(wěn)壓電源
- RAM
- AVR
- 傳感器
- 可控硅
- IGBT
- 嵌入式開發(fā)
- 逆變器
- Quartus
- RS-232
- Cyclone
- 電位器
- 電機(jī)控制
- 藍(lán)牙
- PLC
- PWM
- 汽車電子
- 轉(zhuǎn)換器
- 電源管理
- 信號放大器
評論