負載點DC/DC轉換器的折衷方案和選擇標準

在當今的電源管理產(chǎn)品市場上，非隔離型負載點（POL）DC/DC控制器是成長最快的區(qū)隔之一。POL DC/DC控制器的典型應用包括電信交換機和光纖網(wǎng)絡、蜂窩通信基站、高端計算機和數(shù)據(jù)存儲設備以及諸如圖形卡、PC主板和42V汽車電池系統(tǒng)等其他市場機會。

面對為數(shù)眾多的不同POL轉換器選擇，系統(tǒng)設計師必須對一些基本而又往往是相互矛盾的折衷方案進行評估。所進行的折衷全都圍繞著產(chǎn)品的面市時間、易用性、成本、效率和外形尺寸。目前，系統(tǒng)設計師有三種基本的POL轉換器可以選擇：插入式模塊、帶有集成功率MOSFET的脈寬調制（PWM）轉換器以及專為驅動外部MOSFET而設計的PWM控制器。

插入式模塊是一種由模塊供應商設計、測試和檢驗的完整電源。用戶只需簡單地將模塊插入系統(tǒng)主板即可。DC/DC轉換器是一個具有集成FET的單片控制器。此類解決方案通過免除選擇外部FET之需而使設計和電路板布局得以簡化，且一般來說更容易進行補償。PWM控制器因其采用了可針對特定應用進行優(yōu)化的外部FET而成為一種最為靈活的選擇方案。

一般而言，設計師采用模塊化POL解決方案將能夠實現(xiàn)最快的設計時間，從而使產(chǎn)品能夠在最短的時間內面市。在其他場合，對易用性和緊湊型設計的需求預示著應采用一種帶有一個集成FET轉換器的分立解決方案。還有一些應用可能對靈活性和成本有著極高的要求，這就需要采用一個帶外部功率開關的分立集成電路（IC）控制器。

非隔離型DC/DC IC市場上的眾多應用運用的是分布式電源架構（DPA）。一根DC總線（一般為-48V）沿著位于一個大機架中的背板進行分布。每個機架包含許多插卡，每個插卡都有多種DC電壓要求。一個用于專用插卡的通用系統(tǒng)架構包括一個-48V至主插卡級電壓（3.3V、2.5V等）的隔離型DC/DC模塊。這種架構需要采用輔助的非隔離型POL電源。DPA插卡上包容了各種各樣的元件（如DSP、存儲模塊、FPGA以及內核和I/O邏輯器件），因而需要采用幾種不同的POL電源電壓（在0.5A至15A等電流條件下為2.5V、1.2V、1.0V和0.8V）。在該市場上，DC/DC轉換器所需具備的重要特征是易用、緊湊（經(jīng)常要考慮雙輸出電源和三輸出電源）、高效和廉價。

圖1示出了一種典型的插卡級分布式電源解決方案，它向插卡饋送一個分布式總線電壓（這里為-48V）。首要的要求通常是熱插拔保護。當一塊印刷電路插卡被插入一個帶電背板時，電路板上的體電容會從機架電源吸收巨大的瞬態(tài)電流。如果沒有采用一些涌入電流保護措施，那么這些大電流就有可能損壞連接器插針和PCB走線。而且，形成的電壓尖峰還會損壞電路板上的有源和無源元件，并對系統(tǒng)中其他插卡上的敏感元件產(chǎn)生干擾。

圖1：典型的插卡級分布式電源解決方案

我們以專為避免發(fā)生這些常見問題而開發(fā)的熱插拔型電源管理IC（比如TPS2390/91）為例。這些IC采用了一個外部N溝道MOSFET和一個檢測元件，以便對在熱插拔期間供應給系統(tǒng)插卡的電流進行閉環(huán)控制。

轉換過程中的下一步是隔離型電源。大多數(shù)DPA系統(tǒng)要求在DPA總線電壓和專用插卡之間進行電隔離。實施這種隔離是出于安全性和回流控制方面的考慮，旨在避免形成電流回路。

對于隔離型電源來說，系統(tǒng)設計師可以選擇建立一個插卡級的分立解決方案。雖然在大容量應用中這可能是一種更具成本-效益性的解決方案，但采用一個經(jīng)過全面檢驗和測試的現(xiàn)成模塊卻常常能夠使一項設計的產(chǎn)品面市時間大為縮短。除了設計時間上的節(jié)省之外，采用一個模塊化的隔離型電源還能夠使安全代理核準程序大為簡化。

全隔離模塊電源用于在-48V應用中提供最大的靈活性和易用性。例如，PT4820/50模塊提供了三種低電壓輸出，使得用戶只需一個器件就能夠滿足大部分板級DC/DC要求。三輸出電源的一大優(yōu)點是能夠直接控制起動和停機電源定序，從而使這一常常令人感到棘手的問題得到了解決。

然而，一塊電路板要求在一個插卡上具有6個（或更多的）DC-POL電壓的情況并不鮮見。即使是一個三輸出隔離型電源也極有可能需要由附加的POL轉換器提供輔助。對于板級電源設計師而言，同步DC/DC轉換器是另一種頗具價值的工具。通過將功率FET與PWM控制器加以集成的方法，設計師實現(xiàn)了一種結構極為緊湊且易于使用的設計方案。如圖1所示，在SWIFT™系列同步DC/DC轉換器中，一種名為PowerPAD™的熱增強型封裝能夠在無需采用外部散熱器的情況下使效率有所提高。DC/DC轉換器難題的最終解決往往需要仰仗高效DC/DC控制器。成本、功耗、效率和電路板面積等方面相互抵觸的系統(tǒng)要求經(jīng)常只是簡單地需要借助一個外部FET控制器來增加靈活性。為了有效消除同步整流MOSFET體二極管中的導電現(xiàn)象，可采用一種名為Predictive Gate Drive™的新技術來對外部MOSFET的關斷和接通時間進行優(yōu)化。該技術最多可把同步FET中的功耗減少40%，從而使效率和可靠性均有所提高，并降低了總體系統(tǒng)成本。

圖2示出了一種600kHz、3.3V至1.2V電源的完整電路板設計方案。整個設計所占用的板級空間尚不足1平方英寸，而輸送的負載電流卻高達5A。通過調整外部MOSFET的選擇，這一效率業(yè)已超過90%的設計方案將能夠提供更高的效率和/或負載電流。它還具備故障保護和啟動功能。

圖2：基于TPS40003的同步DC/DC電源

面對所有這些復雜的選擇標準，當今的系統(tǒng)設計師必須配備品種齊全的DC/DC轉換器工具庫。由于系統(tǒng)各不相同，因此沒有哪個解決方案可以適合所有的應用。成功的關鍵在于如何在眾多彼此矛盾的設計優(yōu)先級之間尋求出一種不易達到的平衡。這往往需要把多種解決方案結合起來使用，即使在一塊專用電路板上也是如此。提供較高的靈活性不僅是系統(tǒng)設計師需要面對的挑戰(zhàn)，也是電源解決方案供應商無法回避的課題。