信號(hào)和數(shù)據(jù)處理電路的DC-DC轉(zhuǎn)換注意事項(xiàng)有哪些

許多電路設(shè)計(jì)人員很清楚大功率處理器的熱管理問題，但可能沒有考慮電源的熱管理問題。與晶體管封裝的處理器本身不同，當(dāng)?shù)秃诵碾妷盒枰唠娏鲿r(shí)，熱問題是不可避免的，這是所有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)電源的總體趨勢(shì)。

一、DC-DC轉(zhuǎn)換器要求概述：EMI、轉(zhuǎn)換比、尺寸和散熱考慮

通常，FPGA/SoC/微處理器需要多個(gè)電源軌，包括用于外設(shè)和輔助電源的5V、3.3V和1.8V，用于DDR4和LPDDR4的1.2V和1.1V，以及用于處理內(nèi)核的0.8V。產(chǎn)生這些電源軌的DC-DC轉(zhuǎn)換器通常從電池或中間直流總線獲取12V或5V輸入。為了將這些源直流電壓降壓到處理器所需的低得多的電壓，自然會(huì)選擇開關(guān)模式降壓轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗鼈冊(cè)诖蠼祲罕葧r(shí)具有高效率。開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器有數(shù)百種風(fēng)格，但許多可以歸類為控制器（外部MOSFET）或單片穩(wěn)壓器（內(nèi)部MOSFET）。

二、傳統(tǒng)的控制器解決方案可能不符合要求

傳統(tǒng)的開關(guān)模式控制器IC驅(qū)動(dòng)外部MOSFET，并具有外部反饋控制環(huán)路補(bǔ)償組件。由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換器可以非常高效和通用，同時(shí)提供高功率，但所需分立元件的數(shù)量使設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜且難以優(yōu)化。外部開關(guān)還可以限制開關(guān)速度，這在空間非常寶貴的情況下是一個(gè)問題，例如在汽車或航空電子環(huán)境中——因?yàn)檩^低的開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致整個(gè)組件尺寸更大。

1.不要忽視最短的開啟和關(guān)閉時(shí)間

另一個(gè)重要的考慮因素是轉(zhuǎn)換器的最短導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，或其在足以從輸入降壓到輸出的占空比下運(yùn)行的能力。降壓比越大，所需的最小導(dǎo)通時(shí)間越低（也取決于頻率）。同樣，最小關(guān)斷時(shí)間對(duì)應(yīng)于壓差：在不再支持輸出之前輸入可以降到多低。雖然增加開關(guān)頻率有利于整體更小的解決方案，但最短的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間設(shè)定了工作頻率的上限?？傊?，這些值越低，您在設(shè)計(jì)小尺寸和高功率密度方面的余地就越大。

2.注意真實(shí)的EMI性能

卓越的EMI性能對(duì)于與其他噪聲敏感設(shè)備的安全操作也是必不可少的。在工業(yè)、電信或汽車應(yīng)用中，將EMI降至最低可能是電源設(shè)計(jì)的重要優(yōu)先事項(xiàng)。為了使復(fù)雜的電子系統(tǒng)能夠協(xié)同工作，不會(huì)出現(xiàn)重疊EMI的問題，現(xiàn)在已經(jīng)采用了嚴(yán)格的EMI標(biāo)準(zhǔn)，例如CISPR25和CISPR32輻射EMI規(guī)范。為滿足這些要求，傳統(tǒng)的電源方法通過減慢開關(guān)邊沿和降低開關(guān)頻率來降低EMI——前者導(dǎo)致較低的效率和更高的熱耗散，而后者導(dǎo)致較低的功率密度。

降低開關(guān)頻率也有違反CISPR25標(biāo)準(zhǔn)中530kHz至1.8MHzAM頻段EMI要求的風(fēng)險(xiǎn)?？梢圆捎?a target="_blank">機(jī)械緩解技術(shù)來降低噪聲水平，包括復(fù)雜、笨重的EMI濾波器或金屬屏蔽，但這些技術(shù)會(huì)顯著增加成本和電路板空間、元件數(shù)量和組裝復(fù)雜性，同時(shí)進(jìn)一步使熱管理和測(cè)試復(fù)雜化。這些策略都不能滿足緊湊尺寸、高效率和低EMI的要求。

3.減小尺寸，同時(shí)提高EMI和熱性能以及效率

很明顯，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)復(fù)雜點(diǎn)，這給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。為了減輕這種負(fù)擔(dān)，一個(gè)好的策略是尋找具有同時(shí)解決許多問題的功能的電源IC解決方案：降低電路板的復(fù)雜性、高效運(yùn)行、最小化散熱和產(chǎn)生低EMI。