淺析高性能和高密度大電流POL設(shè)計(jì)解決方案

　　所有的電子產(chǎn)品都像我們這個(gè)世界一樣正在不斷縮小。隨著電路功能和集成度的提高，PCB板的空間變得彌足珍貴。主要的板空間要分配給應(yīng)用的內(nèi)核功能，這些應(yīng)用包括微處理器、FPGA、ASIC以及與其相關(guān)的高速 數(shù)據(jù)通道和支持元件。雖然設(shè)計(jì)者并不想這樣做，但是電源卻必須壓縮到剩下的有限空間之內(nèi)。功能和密度的增加，耗電也相應(yīng)增加。這就為電源設(shè)計(jì)者帶來(lái)了一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，即如何以更小的占位提供更高的電源？

　　答案說(shuō)起來(lái)非常簡(jiǎn)單：提高效率并同時(shí)提高開(kāi)關(guān)頻率。而實(shí)際上，這卻是一個(gè)很難解決的問(wèn)題，因?yàn)楦叩男屎透唛_(kāi)關(guān)頻率是互相排斥的。盡管如此，IR公司IR3847大電流負(fù)載點(diǎn)（POL ）集成穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)者還是開(kāi)發(fā)出來(lái)了采用集成型MOSFET的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可以在一個(gè)緊湊的5×6 mm封裝中（如圖1），將IR第三代SupIRBuck系列的額定電流擴(kuò)展到25A.

　　圖1： IR3847 5x6 mm QFN封裝

　　這一解決方案拉動(dòng)了三個(gè)領(lǐng)域的共同創(chuàng)新：IC封裝、IC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電路設(shè)計(jì)和高效MOSFET.由于最新的熱增強(qiáng)型封裝采用銅片，控制器中的創(chuàng)新是針對(duì)大于1MHz開(kāi)關(guān)頻率的控制器和IR的最新一代，即12.5代 MOSFET ，IR3847可以在無(wú)散熱器的情況下，在25A的電流下運(yùn)行，與采用控制器和功率MOSFET的分立式解決方案相比，又將PCB的尺寸縮減了70%.利用IR3847（圖2），在一個(gè)小至168mm2的面積內(nèi)，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)完整的25A電源解決方案。

　　圖2： PCB面積的縮減

　　允許開(kāi)關(guān)頻率提高到1MHz或者更高，但仍要采用高輸入電壓（如12V），這就需要一款新的專(zhuān)利型模塊架構(gòu)，產(chǎn)生極小的導(dǎo)通時(shí)間脈沖。例如，將輸出功率從12V轉(zhuǎn)換至1V的1MHz設(shè)計(jì)，要求具有83ns的脈沖寬度，這樣就可以容許極小的抖動(dòng)。在這些條件下，標(biāo)準(zhǔn)的PWM機(jī)制通常會(huì)產(chǎn)生30~40ns的抖動(dòng)，對(duì)于這些應(yīng)用而言，這樣的抖動(dòng)時(shí)間是沒(méi)有意義的。IR3847內(nèi)的PWM調(diào)制電路僅產(chǎn)生4ns的抖動(dòng)，與標(biāo)準(zhǔn)解決方案（圖3）相比，縮減了90%.這就實(shí)現(xiàn)了雙贏，即將輸出電壓紋波降低約30%的同時(shí)，允許1MHz或更高的頻率/更高寬度的操作，實(shí)現(xiàn)了更小的尺寸、更好的瞬態(tài)響應(yīng)并采用了更少量的輸出電容。

　　圖3： 抖動(dòng)比較

　　新器件集成了IR公司最新一代的功率MOSFET，從而為具有15A~25A的應(yīng)用取得市場(chǎng)領(lǐng)先的電子性能，其峰值效率高于96%.為了達(dá)到市場(chǎng)領(lǐng)先的散熱性能，例如，在提供25A的電流時(shí)，溫度僅僅上升50°C的低值，采用了公司獨(dú)有的封裝（圖4）。同步MOSFET轉(zhuǎn)換到“源極在下”配置，同時(shí)控制MOSFET卻保持著傳統(tǒng)的“漏極在下”配置。大多數(shù)的熱量是在同步MOSFET源中產(chǎn)生的，并且立即傳導(dǎo)出封裝，并降至底平面，而不是像競(jìng)爭(zhēng)解決方案那樣，是要經(jīng)過(guò)硅芯片。這就有助于從控制MOSFET中傳熱同時(shí)降低MOSFET間開(kāi)關(guān)結(jié)點(diǎn)之間連接的電阻。

　　圖4： 專(zhuān)利型封裝將熱傳導(dǎo)和電子傳導(dǎo)最大化

　　作為第三代SupIRBuck中的一員，這些器件符合工業(yè)市場(chǎng)中-40oC至125oC的工作結(jié)溫要求。它可能針對(duì)單輸入電壓（5V~21V）操作進(jìn)行配置，或者當(dāng)提供5V的外部偏壓時(shí)，將輸入功率從1V轉(zhuǎn)換至21V.IR3847具有后部封裝高精度死區(qū)時(shí)間微調(diào)功能，將效率損耗降至最低，而且內(nèi)部智能LDO可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)負(fù)載范圍上的效率優(yōu)化。真正的差分遠(yuǎn)程檢測(cè)對(duì)于大電流應(yīng)用（圖5）至關(guān)重要，在25°C至105°C的溫度范圍上，實(shí)現(xiàn)0.5%的基準(zhǔn)電壓精度，輸入前向和超低抖動(dòng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)線壓、負(fù)載和溫度上高于3%的整體輸出電壓精度。其它高級(jí)特性還包括外部時(shí)鐘同步、定序、追蹤、輸出電壓容限、預(yù)偏壓?jiǎn)?dòng)性能、實(shí)現(xiàn)輸入電壓感知、可調(diào)節(jié)OVP引腳和內(nèi)部軟啟動(dòng)。IR3847還具有采用專(zhuān)業(yè)檢測(cè)引腳（VSNS）的真正的輸出電壓檢測(cè)。這就提供了一個(gè)強(qiáng)勁的解決方案，可以保證在所有條件下都可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，特別是出現(xiàn)反饋線纜斷開(kāi)的情況，否則，就會(huì)導(dǎo)致在傳統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品出現(xiàn)的嚴(yán)重的過(guò)壓?jiǎn)栴}。

　　圖5：差分遠(yuǎn)程檢測(cè)

　　除此之外，還要關(guān)注對(duì)于布局的簡(jiǎn)化，并使設(shè)計(jì)更加強(qiáng)勁以免受噪聲的干擾。例如，通過(guò)對(duì)引腳輸出進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)于旁通電容器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的布置，并通過(guò)三線引腳，選擇電流限度，這樣就降低了對(duì)于芯片的噪聲注入并節(jié)省了電容器，最終簡(jiǎn)化了布局。

　　利用帶有真正差分遠(yuǎn)程檢測(cè)功能的大電流IR3847，IR解決了受到散熱和空間限制的高密度和大電流應(yīng)用方面的挑戰(zhàn)。當(dāng)與標(biāo)準(zhǔn)的分立解決方案相比時(shí)，IR3847將PCB占位空間降低了70%，僅要求具有168mm2的PCB占位面積，以提供25A的電流并在負(fù)載端的右側(cè)，總的輸出電壓精度提高了3%.競(jìng)爭(zhēng)器件一般僅具有5%或更低的精度。通過(guò)為脈沖寬度的抖動(dòng)時(shí)間大幅度降低50 ns，IR3847實(shí)現(xiàn)了更高的閉環(huán)帶寬，最終實(shí)現(xiàn)了更好的瞬態(tài)響應(yīng)和更低的輸出電容。