DC/DC转换器空间受限的解决方案

如何解决有限空间的问题，理论上的答案很简单：提高效率，同时提高开关频率。而在实际的12V电源系统中，提高效率和提高开关频率是相违背的，因此这成为一个非常难于解决的问题。

世界正在缩小，而相应的电子设备也随之缩小，随着电路功能的增强和密度的提高，PCB的占位面积成为首要的元素。PCB主要被应用的核心功能元件，如微处理器、FPGA、ASIC及其相关的高速数据路径和支持元件所占用。必需的，然而却是人们不想要的供电电源被强制压缩到剩下的有限空间里。此外，随着功能性和密度的提高，功耗势必会相应的增长。具有同等重要性的另一因素是易于设计及其鲁棒性。这些就为电源设计者带来了一个挑战，即如何在有限的区域提供更多的电源，同时保证一个通用而简单的设计。

尽管如此，这恰恰是赋予IR第三代负载点（POL）集成型稳压器设计者的任务。他们完成了一系列集成了MOSFET的DC-DC步降式降压转换器，满足1A至25A宽范围的电流输出。

这一解决方案凝聚了三个领域的创新：IC开关稳压器电路设计、高效MOSFET和IC封装。首先，为了允许将开关频率增加到1MHz或更高，同时仍然在高输入电压比如12V下运行，我们设计了一个新的专利型调制器模块，可以产生极小的无抖动的开通脉冲。例如，将12V输入电源转换为1V输出电压，开关频率为1MHz，脉冲宽度仅为83ns，因而只能承受非常小的抖动。

而标准的PWM方案通常具有大约30-40ns的抖动，因而在这种应用条件下不可用。图1a清楚地说明了这一点，在一个标准的转换器中脉宽的抖动引起脉宽跳变进而导致输出纹波过大。与此相反，图1b中显示，第3代的SupIRBuck中采用的专利型PWM调制器，在相同的条件下，提供了干净的、得到良好控制的输出纹波。在第3代的SupIRBuck系列内的PWM调制器仅产生了4ns的抖动，相比于标准的解决方案（图2）减少了90%.这就带来了双重效益，即将输出电压纹波降低大约30%，并且允许在1MHz或更高频率/更高带宽下运行，以实现更小的尺寸，更好的瞬态响应，及更少的输出电容。


图1： 1MHz、16Vin、0.7Vout应用条件下，输出纹波性能（a）标准转换器（b）IR第三代SupIRBuck


图2：脉宽抖动对比

新产品家族集成了IR公司的功率MOSFET及一个内部产生的6.8V栅极驱动。这就使得第三代SupIRBuck系列产品，无需任何额外的外部电路，即可以获得市场领先的效率（图3），优于通常将栅极驱动限定在5V的传统解决方案。


图3： 5V和6.8V栅极驱动的效率比较

采用标准封装技术进行散热，对于在1A -16A电流范围的小功率电流轨而言是足够的。然而，对于高功率轨，如25A电流，为了实现市场领先的散热性能，例如温升低至50oC同时还要提供25A的电流时，IR采用了专用的封装（图4）。同步MOSFET翻转成为"源极向下（Source down）"放置，而控制MOSFET保持着传统的"漏极向下（drain down）"放置。大部分热量在同步MOSFET的源极产生，因而能够立即传导出封装，并传导到接地层，而不是像竞争解决方案那样通过硅片来传导。控制MOSFET的源极是由一个单独的铜夹连接到同步MOSFET的漏极，而铜夹又与开关结点相连。这将有助于从控制MOSFET传导热量并在MOSFET和开关结点之间提供极低的电气连接阻抗。


图4：专利型封装为IR3847（25A）提供最大的导热导电性

由于采用铜夹的新型增强散热型封装，和高于1MHz开关频率的创新控制技术，以及IR最新一代的12.5 MOSFET，IR3847可在25A的电流下工作而不需要任何散热器，而且，与采用控制器和功率MOSFET的分立式解决方案相比，PCB的尺寸缩减了70%.目前，使用IR3847，一个完整的25A电源解决方案可以在小达168 mm2的面积内实现。（图5）


图5：利用IR3847（25A）实现的PCB缩减

全新第三代的SupIRBuck系列的运行结温是-40oC至125oC，符合工业市场的要求。它们可用于单输入电压（5V-21V），或者在提供了5V外部偏压的情况下，输入电压范围1V-21V的电源转换应用场合。第三代SupIRBucks具有集成了精确死区时间调节功能，使得效率损失最小化，并具有一个灵敏的内部LDO，用以在整个负载范围上优化效率。

对于大电流应用必不可少的真实的差分远程检测（仅适用于IR3847）（图6）；在25°C至105°C的温度范围内，0.5%的基准电压精度；输入前馈以及极低的脉宽抖动相结合，使总输出电压精度在整个输入、负载和温度条件下超过3%.其他先进的功能包括外部时钟同步、时序、跟踪、输出电压裕量、预偏置起动能力、输入电压感知使能、可调过压保护和内部软启动。

第三代SupIRBucks通过一个专门引脚（VSNS），来检测真实的输出电压。因此提供了一个可靠的解决方案，以保证在各种条件下都可以对输出电压进行监测，尤其是当反馈线路坏掉的情况，不会出现传统竞争产品那样的灾难性的过压后果。


图6：IR3847（25A）的真实差分远程检测

开关结点处的尖峰电压是引致MOSFET电应力的一个主要来源。完全的单片电路产品，MOSFET和控制器都被集成到同一个硅片，因而对于尖峰电压特别敏感。这些类型的产品通常通过降低输入电压和开关结点电压以避免MOSFET过应力。然而，降低这些参数的等级在许多应用中都不适用。

更为可靠的方法是将控制器芯片从MOSFET硅片中分离出来。因而MOSFET可以采用更高的电压工艺制程，达到更高的电压等级，来承受更高的电压尖峰，而同时控制器可以采用较低的电压工艺。第三代SupIRBucks即采用了这种方法，其中3个分立式硅片（控制器、同步MOSFET和控制MOSFET）在封装上被集成在一起（图7）。因而提供了更高水平的鲁棒性。


图7：控制器和MOSFET的封装级集成，比单硅片方案提高了鲁棒性

利用全新第三代SupIRBuck系列，IR解决了发热和空间都受限的高密度电源应用的挑战，而且在负载范围内总的输出电压精度高于3%.竞争器件通常只有5%或稍高的精度。通过显着降低脉宽的抖动，使最小脉宽短至50ns，第3代SupIRBuck提供了更高的闭环带宽，从而实现了更好的瞬态响应和更小的输出电容。

客户对于电源最佳性能和密度的需求永不妥协。第三代SupIRBuck系列产品通过简易化的设计流程满足了这些需求并走的更远。相同的引擎和功能都在这个系列中的每个产品中加以复制，因此设计者可以马上熟悉所有产品并在每款产品上重复使用相同的设计方法。有些产品的脚位兼容以便于替换使用，这使得设计者能针对不同功率等级的产品做出快速修改。

此外，免费的在线设计工具可以加快设计，实现产品的快速问市。该工具提供原理图，物料清单，仿真和热性能参数，并允许用户定制化设计输入，包括元件选择，PCB布局走线和输入电压（图9）。


图8：第3代SupIRBuck产品系列

图9：SupIRBuck在线设计和仿真工具

结语

典型地，复杂的应用需要多路电源来为多个子系统供电，而且每路电源由于输出电压或输出电流的不同，而有些微小规格差异。电源转换器设计的挑战是找到一个通用的设计平台，易于在宽电流范围进行扩展，同时实现占位空间最小化、频率最大化及工业级的鲁棒性。