先進(jìn)嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器的要求

本文主要探討了DC-DC應(yīng)用中轉(zhuǎn)換器功率級(jí)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(cè)試測(cè)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(jì)算能力日益增加。這種計(jì)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(lái)了三大要求：第一,電源電壓越來(lái)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(duì)于熱設(shè)計(jì)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(lái)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(huì)更加惡化。因此這時(shí)需要低導(dǎo)通阻抗RDSON、低開關(guān)損耗的電源開關(guān)。不過(guò)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(gè)主要要求是EMI必需低。這些轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的噪聲會(huì)對(duì)周圍的電路造成干擾,因而必須盡可能地小。不過(guò),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(huì)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(chǎng))。因此,必需特別關(guān)注功率級(jí)元件選擇和布局的優(yōu)化,尤其是在驅(qū)動(dòng)器連接方面。此外,PWM控制拓?fù)湟灿幸欢ㄓ绊憽?/p>

　　舉例來(lái)說(shuō),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(gè)例子是65nm工藝制造的大尺寸FPGA,1.0V +/-50mV電源電壓、85℃時(shí),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(dòng)態(tài)要求非常高。

　　這些應(yīng)用中包含多個(gè)不同IC相當(dāng)常見,譬如,由一個(gè)較小的微控制器 (電源電壓較高時(shí)) 來(lái)負(fù)責(zé)所有的接口和主機(jī)功能,利用一個(gè)較大的DSP或?qū)Ｓ糜布?lái)執(zhí)行計(jì)算密集型功能。很多時(shí)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(lái)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(shì)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(jì)

　　一個(gè)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(dòng)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(gè)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(guò)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(shí)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(dòng)器 (如FD1505) 和分立式MOSFET ,或是集成了驅(qū)動(dòng)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(guò)電阻 來(lái)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(guò)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(gè)相位的電流共享,而且可在輸出功率較低時(shí)實(shí)現(xiàn)切相 (phase shedding) 來(lái)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(shí)鐘同步可協(xié)助提升EMI性能。對(duì)于同時(shí)需要集成式驅(qū)動(dòng)器和分立式外部MOSFET的應(yīng)用,FD2006也是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

　　對(duì)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(shí),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(duì)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(guò)圖形用戶接口來(lái)控制,很容易對(duì)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(shí),它們被儲(chǔ)存在控制器的非易失性存儲(chǔ)器 中,這樣PC機(jī)就不再需要運(yùn)行系統(tǒng)了。