POLA DC/DC模塊電源磚電路設(shè)計(jì)剖析

板級(jí)電源設(shè)計(jì)的成熟度和可靠度直接影響著電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)復(fù)雜的板級(jí)DC/DC時(shí)，為了減小設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)計(jì)成熟度，加快開(kāi)發(fā)一次成功率,越來(lái)越多的方案引入了DC/DC電源模塊。目前主流的DC/DC模塊電源生產(chǎn)商主要分為DOSA聯(lián)盟和POLA聯(lián)盟兩大陣營(yíng)。

POLA模塊是非開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì),所以要深入分析電路有一定難度。但是考慮到POLA模塊電源的電路設(shè)計(jì)基本相同，所以筆者以PTH03030 POLA模塊電路為例,對(duì)其電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了深度剖析。

PTH03030模塊電源總體架構(gòu)分析

PTH03030模塊電源是一種非隔離的POLA電源，可輸出30A電流，模塊面積大約9cm2，采用PCB多層板設(shè)計(jì)，可以滿(mǎn)足目前高密度板級(jí)電源的應(yīng)用需求，例如多處理器、高速DSP系統(tǒng)等。

PTH03030模塊采用高密度的雙面表貼設(shè)計(jì)，通過(guò)一個(gè)外接的電阻實(shí)現(xiàn)輸出電壓在0.8～2.5V之內(nèi)可調(diào)，輸出效率可以達(dá)到93%，工作溫度范圍為-40～+85℃。PTH03030模塊的產(chǎn)品外觀如圖1所示。

圖1 POLA PTH030模塊電源外觀圖

PTH03030模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，自動(dòng)電壓跟蹤模塊能夠跟蹤電源電壓的上下電時(shí)序，實(shí)現(xiàn)輸出電壓時(shí)序控制；也可以實(shí)現(xiàn)成多個(gè)POLA模塊的輸出電壓互相追蹤，或者共同追蹤外部電壓的上下電時(shí)序。這個(gè)特點(diǎn)非常適合系統(tǒng)中需要多個(gè)電壓供電且對(duì)于上電先后順序有嚴(yán)格要求的板級(jí)電源設(shè)計(jì)方案。

ON/OFF使能模塊用于控制模塊電源的輸出，在需要單獨(dú)關(guān)閉部分板級(jí)電路功能的場(chǎng)合非常適用。

圖2 PTH03030模塊的系統(tǒng)模塊框圖

電壓輸出微調(diào)模塊支持輸出電壓降檢測(cè)和補(bǔ)償調(diào)節(jié)。該模塊還具有輸出電壓正偏或負(fù)偏的微調(diào)控制功能，可以使用在系統(tǒng)微調(diào)測(cè)試的場(chǎng)合。

PTH03030模塊保護(hù)功能比較齊全，可以實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、欠壓鎖定保護(hù)。

PWM BUCK控制模塊設(shè)計(jì)分析

PTH03030H模塊的降壓PWM控制模塊（U3）的局部電路如圖3所示。

圖3 PTH03030H模塊的BUCK降壓PWM控制模塊電路圖

U3控制器內(nèi)部主要有基準(zhǔn)電源電路、軟啟動(dòng)電路、300kHz振蕩電路、充電泵電路、過(guò)流檢測(cè)電路等。

U3內(nèi)部有0.8V的基準(zhǔn)電源，用來(lái)和輸出電壓的反饋端子PWM_FB進(jìn)行環(huán)路反饋比較。主流POLA模塊電源的輸出電壓最低值是0.8V。

U3的軟啟動(dòng)電路可控制上電速率, 軟啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間大約為5～10ms，整個(gè)上電過(guò)程在15ms完成，典型軟啟動(dòng)時(shí)間為6.5ms。在軟啟動(dòng)功能運(yùn)行時(shí)，TRACK管腳必須連接輸入電源電壓管腳，屏蔽POLA模塊的自動(dòng)電壓跟蹤功能。此時(shí)，模塊電源的上電受內(nèi)部的軟啟動(dòng)上電模塊控制。

U3內(nèi)部的充電泵電路主要通過(guò)外接C20電容實(shí)現(xiàn)低輸入電壓的提升,滿(mǎn)足內(nèi)部部分電路高電壓的要求。在3.3V輸入的條件下,需要C20啟動(dòng)內(nèi)部充電泵；在5V輸入條件下，C20泵電容可以不接。

U3內(nèi)置的過(guò)流檢測(cè)電路可檢測(cè)上臂MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)上的電流。如果流過(guò)上臂MOSFET的電路超過(guò)閾值,其管壓降超過(guò)R12電阻的壓降,導(dǎo)致U3內(nèi)部的過(guò)流比較器翻轉(zhuǎn),關(guān)斷PWM輸出,實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

實(shí)際測(cè)試中，R12的電壓設(shè)定在160mV左右，對(duì)應(yīng)45A的過(guò)流保護(hù)閾值。如果需要實(shí)現(xiàn)不同的過(guò)流保護(hù)閾值，只需要更改R12的電阻值即可。

MOSFET功率模塊分析

MOSFET功率模塊的電路如圖4所示。其中，U1為MOSFET驅(qū)動(dòng)IC，采用TI公司的TPS2834，可實(shí)現(xiàn)同步整流MOSFET并聯(lián)對(duì)管的驅(qū)動(dòng)。U1的第2管腳接PWM單路輸入,經(jīng)過(guò)內(nèi)部的雙路移相后，輸出驅(qū)動(dòng)后級(jí)同步整流上臂MOSFET Q2、Q3和下臂MOSFET Q1、Q4。

TPS2834的輸出驅(qū)動(dòng)特性比較優(yōu)異,在輸入3.3V，輸出0.8V，滿(mǎn)載30A負(fù)載電流時(shí),MOSFET的驅(qū)動(dòng)波形非常理想,無(wú)明顯的振鈴現(xiàn)象。TPS2834良好的MOSFET驅(qū)動(dòng)特性保證了PTH03030可實(shí)現(xiàn)高達(dá)90%以上的轉(zhuǎn)換效率。

圖4 PTH03030模塊的MOSFET功率模塊電路

DT管腳就是上下臂MOSFET的死區(qū)控制管腳，連接到上下臂MOSFET的中點(diǎn)，可防止出現(xiàn)上下臂MOSFET由于關(guān)斷延時(shí)而瞬時(shí)直通造成的過(guò)流隱患。

升壓模塊分析

升壓電路由U2及其外圍電路組成（見(jiàn)圖5）。U2是一款SOT-23封裝的升壓控制器，內(nèi)置MOSFET，可極大地簡(jiǎn)化升壓模塊的外圍電路，實(shí)現(xiàn)高密度的模塊應(yīng)用。

圖5 PTH03030模塊的升壓電路

U2的開(kāi)關(guān)頻率最大可以達(dá)到1MHz，在輸出相同電流的條件下,可以極大減小升壓電感的體積和輸出濾波電容的容量和個(gè)數(shù)。升壓控制器內(nèi)置過(guò)流保護(hù)功能，當(dāng)升壓輸出電流達(dá)到400mA時(shí),進(jìn)入過(guò)流保護(hù),使升壓芯片不受進(jìn)一步的損壞。

PTH03030模塊的升壓電壓為6.5V,實(shí)際測(cè)試最高可以達(dá)到28V的升壓輸出,升壓后的電源提供整個(gè)模塊的MOSFET驅(qū)動(dòng)IC U1,電壓跟蹤比較運(yùn)放的供電。

自動(dòng)電壓跟蹤模塊分析

PTH03030模塊的一個(gè)主要特點(diǎn)就是支持自動(dòng)電壓跟蹤控制，由施加參考電壓在TRACK腳來(lái)實(shí)現(xiàn)。施加在TRACK腳上的電壓和輸出電壓通過(guò)模塊的低電壓運(yùn)算放大器進(jìn)行實(shí)時(shí)誤差比較放大,誤差比較電壓經(jīng)下一級(jí)的電壓緩沖后,直接控制PWM控制器的FB反饋電壓。只要運(yùn)放的輸出響應(yīng)足夠快,就能保證PTH03030的輸出電壓和TRACK電壓精密跟隨上下電的電壓輸出時(shí)序。

圖6 PTH03030模塊的自動(dòng)電壓跟蹤功能典型應(yīng)用電路

自動(dòng)電壓跟蹤功能典型應(yīng)用電路如圖6所示，2個(gè)模塊的TRACK管腳一起連接到Q1的D級(jí)。系統(tǒng)上電時(shí),控制電平為低電平，Q1關(guān)斷，TRACK管腳電壓上升,上下兩塊POLA模塊的輸出電壓跟隨TRACK腳電壓同步上升。當(dāng)模塊達(dá)到各自的輸出電壓設(shè)定值時(shí),電壓自動(dòng)跟蹤完成，模塊各自達(dá)到設(shè)定點(diǎn)，完成時(shí)序上電控制。當(dāng)需要系統(tǒng)下電時(shí)，控制電平轉(zhuǎn)為高電平，Q1導(dǎo)通，TRACK電壓下降，模塊輸出跟蹤下降。

輸出微調(diào)模塊分析

PTH03030模塊的微調(diào)模塊外部應(yīng)用電路如圖7所示。模塊的微調(diào)輸出電壓正/負(fù)偏輸出的控制腳分別是9和10腳，正偏微調(diào)電阻Ru通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管Q2接地，負(fù)偏微調(diào)電阻Rd通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管Q1接地。當(dāng)需要輸出進(jìn)入正偏模式時(shí)，只要在Q2的柵極施加高電平,使Q2導(dǎo)通,Ru回路導(dǎo)通，通過(guò)內(nèi)部的微調(diào)電壓分壓，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的正偏移輸出，負(fù)偏電壓微調(diào)輸出同理。

圖7 PTH03030模塊的輸出電壓正偏/負(fù)偏微調(diào)應(yīng)用電路

保護(hù)功能模塊分析

PTH03030模塊的全局過(guò)溫保護(hù)電路如圖8所示。U4是一款SOT-23封裝的溫度傳感器IC，通過(guò)和外圍電路配合可以實(shí)現(xiàn)模塊的過(guò)溫保護(hù)功能,防止模塊電路出現(xiàn)異常過(guò)溫?zé)龤У碾[患。過(guò)溫保護(hù)電路在模塊溫度超過(guò)OTP保護(hù)閾值時(shí),會(huì)自動(dòng)將INHIBIT使能管腳電壓下拉，輸出全局關(guān)斷電壓。

圖8 PTH03030模塊的保護(hù)電路

過(guò)溫保護(hù)不采用芯片內(nèi)置的過(guò)溫保護(hù)電路，主要是考慮到POLA模塊上的多種控制芯片的過(guò)溫保護(hù)閾值存在離散性。而通過(guò)OTP電路實(shí)現(xiàn)全局過(guò)溫聯(lián)動(dòng),確實(shí)是不錯(cuò)的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)考慮。

PTH03030H的ON/OFF開(kāi)關(guān)由INHIBIT使能管腳控制,可實(shí)現(xiàn)全局模塊的關(guān)斷或者輸出。INHIBIT管腳不是TTL接口的電平,在設(shè)計(jì)階段注意不能直接和3.3V邏輯器件的I/O直接連接，推薦接法如圖9所示。

圖9 PTH03030模塊的ON/OFF控制應(yīng)用電路