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浅谈要怎么样实现高性能且高密度高电流的POL设计

2021-03-08 ryder

所有的电子产品都像这个世界相同正在不断缩小。随着电路功能和整合度的提高,pCB板的空间变得弥足宝贵。紧要的板空间要分配给使用的核心功能,这些使用包括微解决器、FpGA、ASIC以及与其相关的高速数据通道和支援元件。虽然设计者并不想这样做,但是电源却非得压缩到剩下的有限空间之内。功能和密度的新增,耗电也相应新增。这为电源设计者带来了很大的挑战──即要怎么样以更小的佔位供应更高的电源?


答案说起来非常简单:提升效率并同时提高开关频率。但实际上,这却是一个很难处理的问题,因为更高的效率和更高开关频率是互相排斥的。儘管如此,国际整流器公司(IR)IR3847大电流负载点(pOL)整合稳压器的设计人员们开发出採用整合型MOSFET的DC-DC降压转换器,可在一个紧密的5×6mm封装中(如图1),将IR第叁代SupIRBuck系列的额定电流扩展到25A。


图1:IR38475x6mmQFN封装


这一处理办法拉抬了叁个范畴的共同创新:IC封装、IC开关稳压器电路设计和高效MOSFET。由于最新的热加强型封装採用铜片,控制器中的创新针对大于1MHz开关频率的控制器和IR的最新一代──12.5代MOSFET,IR3847可在无散热器的情况下,在25A的电流下运作,与採用控制器和功率MOSFET的独立式处理办法相较,又将pCB的尺寸缩减了70%。利用IR3847(图2),在一个小至168mm2的面积内,今朝能实现完整的25A电源处理办法。


图2:pCB面积缩减


开关频率可提高到1MHz或者更高,但仍要採用高输入电压(如12V),因而要一款新的专利型模组架构,出现极小的导通时间脉衝。例如,将输出功率从12V转换至1V的1MHz设计,非得具有83ns的脉衝宽度,这样就可以容许极小的抖动。在这些条件下,标準的pWM机制通常会出现30~40ns的抖动,关于这些使用而言,这样的抖动时间是没有意义的。IR3847内的pWM调节电路仅出现4ns的抖动,与标準处理办法(图3)相比更缩减90%,因而实现了双赢,即将输出电压纹波降低约30%的同时,也达到了1MHz或更高的频率/更高宽度的作业,实现更小的尺寸、更好的瞬态应和,以及採用更少量的输出电容。


图3:抖动比较


新款元件整合了IR公司最新一代的功率MOSFET,从而为具有15A~25A的使用取得更佳的电子性能,其峰值效率高于96%。为了达到更好的散热性能,例如,在供应25A的电流时,温度仅仅上升50°C的低值,因而採用该公司独有的封装(图4)。同步MOSFET转换到‘源极在下’配置,同时控制MOSFET却保持着传统的‘汲极在下’配置。大多数的热量是在同步MOSFET源中出现的,并且立即传导出封装,并降至底平面,而不是像竞争处理办法相同得经过晶片,因而有助于从控制MOSFET中传热,并同时降低MOSFET间开关结点间的连接电阻。


图4:专利型封装将热传导和电子传导最大化


作为第叁代SupIRBuck中的一员,这些元件符合工业市场中-40℃至125℃的工作结温要求。它可能针对单输入电压(5V~21V)作业进行配置,或者当供应5V的外部偏压时,将输入功率从1V转换至21V。IR3847具有后部封装高精度死区时间微调功能,将效率损耗降至最低,而且内部智慧LDO可实现整个负载範围上的效率最佳化。真正的差分远程测试关于大电流使用(图5)至关紧要,在25℃至105℃的温度範围内实现0.5%的基準电压精度,输入前向和超低抖动相结合,可实现整个线压、负载和温度高于3%的整体输出电压精度。


其他先进特性还包括外部时脉同步、定序、追踪、输出电压容限、预偏压启动性能、实现输入电压感知、可调节OVp接脚和内部软启动。IR3847还具有採用专业测试接脚(VSNS)的真正的输出电压测试。因此,供应了一个强劲的处理办法,可以确保在所有条件下为输出电压进行监测,特别是出现反馈线缆断开的情况,否则,就会导致在传统竞争产品出现的严重的过压问题。


除此之外,还要关注关于佈局的简化,并使设计更增强劲以免受杂讯的干扰。例如,透过对接脚输出进行最佳化,实现关于旁通电容器实现简易的佈置,并透过叁线接脚选择电流限度,因而降低关于晶片的杂讯注入并节省了电容器,最终简化了佈局。


利用带有真正差分远程测试功能的大电流IR3847,IR处理了受到散热和空间限制的高密度和大电流使用方面的挑战。当与标準的独立式处理办法相比时,IR3847将pCB佔位空间降低了70%,仅要求具有168mm2的pCB佔位面积,以供应25A的电流并在负载端的右侧,总输出电压精度提高了3%。竞争元件一般仅具有5%或更低的精度。透过为脉衝宽度的抖动时间大幅度降低50ns,IR3847实现了更高的闭环频宽,最终实现更佳瞬态应和以及更低的输出电容。


图5:差分远端测试

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