中心議題：

• 探討滿足DC-DC功率轉換要求的電源管理方案
• 了解先進嵌入式DC-DC轉換器的要求

解決方案：

• 對工作在網絡中的DC-DC轉換器進行優化
• 采用現代嵌入式DC-DC轉換器技術方案

引言

在測試測量設備或嵌入式計算等工業應用中，嵌入式DC-DC轉換器的係統架構可能相當複雜，在輸出電壓和電流、紋波、EMI及上電順序等許多不同方麵都有相關要求。本文主要探討了DC-DC應用中轉換器功率級選擇的影響。

先進嵌入式DC-DC轉換器的要求

許多工業係統

，如測試測量設備
，都需要嵌入式DC-DC轉換器，是因為這些應用所需的計算能力日益增加。這種計算能力由DSP
、FPGA、數字ASIC和微控製器提供，而得益於工藝幾何尺寸的日益縮小，該類器件在不斷的進步。另一方麵
，這也帶來了三大要求：第一，電源電壓越來越低（當然，還有容許的電壓紋波和負載變化）；其次
，電源電流逐漸變大；第三
，這些IC通常需要為內核和I/O結構以準確的順序提供單獨的電壓，以避免閂鎖現象的發生。

嵌入式DC-DC轉換器必須具有出色的效率。這類轉換器的可用空間很小，對於熱設計尤其具有挑戰性，因為嵌入式轉換器主要依賴PCB上shang元yuan件jian周zhou圍wei的de銅tong麵mian積ji來lai改gai善shan係xi統tong熱re阻zu抗kang。由you於yu功gong耗hao與yu電dian流liu的de平ping方fang成cheng正zheng比bi，隨sui著zhe負fu載zai電dian流liu的de增zeng加jia，這zhe種zhong情qing形xing會hui更geng加jia惡e化hua。因yin此ci這zhe時shi需xu要yao低di導dao通tong阻zu抗kangRDSON、低開關損耗的電源開關。不過鑒於器件的導通阻抗RDSON越低

，寄生電容乃至開關損耗就越高，最終功耗也越高，故必需進行一定的權衡取舍。嵌入式DC-DC轉換器的另一個主要要求是EMI必需低。這些轉換器產生的噪聲會對周圍的電路造成幹擾
，因而必須盡可能地小。不過，高速（以降低開關損耗）轉換大電流（若負載所需）不可避免地會產生很大的開關噪聲，包括傳導噪聲和輻射噪聲（主要是磁場）。因此
，必需特別關注功率級元件選擇和布局的優化，尤其是在驅動器連接方麵。此外
，PWM控製拓撲也有一定影響。

舉例來說，采用0.09μm技術的數字IC可能需要1.2V±40mV的電源電壓。根據該DSP的數據表，其電源電流可高達952mA.另一個例子是65nm工藝製造的大尺寸FPGA
，1.0V +/-50mV電源電壓、85℃時，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，因在高開關頻率下
，動態要求非常高。

這些應用中包含多個不同IC相當常見，譬如
，由一個較小的微控製器（電源電壓較高時）來負責所有的接口和主機功能

，利用一個較大的DSP或專用硬件來執行計算密集型功能。很多時候
，還專門使用另有一套電壓要求的高性能A/D轉換器來改善噪聲性能，真正充分利用這些轉換器的分辨率和帶寬。這些趨勢催生出具有眾多相倚關係的複雜的功率管理係統。
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模塊化控製提升係統設計

一個應用建議是把DC-DC轉換器盡可能靠近負載放置。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，並改進轉換器的動態特性。“分布式”功率管理係統應運而生，在這種係統中

，所有轉換器都理想地彼此相連。能夠與其它轉換器在網絡中協同工作的一個控製器例子是FD2004，如圖1的模塊示意圖所示。 FD2004是Digital-DC產品係列的一員，整合了數字環路控製和高集成度功率管理功能。這種控製器及其同係列產品，可通過SMBus （係統管理總線）與主控製器和其它DC-DC轉換器相連接
，輕鬆實現許多不同的功能，如轉換器的係統內配置、上電順序
、餘量功能（margining）

、故障保護以及係統監控。所有這些功能都有助於縮短上市時間
，更重要的是，提高係統可靠性。

FD2004可以與外部柵極驅動器（如FD1505）和分立式MOSFET
，或是集成了驅動器與MOSFET的單封裝DrMOS產品協同工作。它還可以在獨立式應用中通過電阻來編程—特別地
，輸出電壓的最大值由電阻設定，且利用軟件命令設定的電壓最大值不得超過10%以上，以保護負載。在需要較大電流的應用中
，如多相轉換器，所選的架構可實現多達8個相位的電流共享，而且可在輸出功率較低時實現切相（phase shedding）來保持高效率。該款控製器基於帶自適應性能算法和環路補償的數字控製環路
，支持高達1.4MHz的開關頻率。時鍾同步可協助提升EMI性能。對於同時需要集成式驅動器和分立式外部MOSFET的應用
，FD2006也是個不錯的選擇。

對輸出電流較低的係統電壓，集成式DC-DC轉換器值得推薦，此時，PCB麵積和易於使用都是最重要的考慮因素。數字轉換器，如FD2106 （6A max），象Digital-DC係列的其它產品一樣具有通信功能
，可與分立式MOSFET或基於DrMOS等能提供更大電流的轉換器一起使用。對獨立式應用而言，由於不需要與係統內其它轉換器連接
，還可以采用集成式轉換器（如飛兆半導體的FAN2106）。

數字功率管理係統的控製器和轉換器鏈可通過圖形用戶接口來控製，很容易對所有參數和係統性能監控進行修正。這種軟件運行在PC機上，並經由USB接口與控製器連接。當參數全都良好時，它們被儲存在控製器的非易失性存儲器中，這樣PC機就不再需要運行係統了。 [page]
1.帶驅動器和MOSFET的分立式解決方案現在仍在普遍使用。為滿足所有設計要求，現在飛兆半導體提供的采用小尺寸熱性能增強型MLP（QFN）封裝的產品，可獲得高係統性能。MOSFET實現了首先采用MLP封裝（見圖3所示）。其Power56和Power33產品係列采用最新的PowerTrench技術，能夠同時提供超低RDSon和低Qg
，從而適用於高開關頻率應用。鍵合技術可減小封裝的電感，提高封裝有限的ID，適用於大電流應用。其低端FET產品組合采用SyncFET集成了肖特基二極管，在實現高開關性能的同時降低了熱耗。

FDMS9600S在一個不對稱的Power56封裝內集成了一個高端FET和一個低端SyncFET，可進一步提高熱性能，並實現小尺寸的緊湊型PCB設計（圖4）。 2.上述帶驅動器和MOSFET的分立式解決方案也備有8x8mm或6x6mm MLP封裝的MCM（多芯片模塊）。這些DrMOS（DriverMOS）產品係列包括8x8mm產品FDMD87xx和6x6mm產品FDMF67xx，可滿足不同的設計要求。而評估板則可協助設計人員熟悉應用，並測試性能以便與分立式解決方案相比較（圖5）。
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帶有Power56 MOSFET和SO-8驅動器的分立式解決方案的板卡占位麵積在120mm2左右，而MCM隻需要64mm2或36mm2.後者模塊中的各個器件經精心挑選並全麵優化
，相比分立式解決方案其性能更高，熱性能也更好（圖6和圖7）。受電腦行業的推動
，這種解決方案可使電流高達30A，並針對最高1MHz的開關頻率優化。甚至在大電流設計中即使考慮到熱設計規則，也無需散熱器，因係統中空氣流對於該芯片散熱是足夠的。

3.最終全集成開關將使功率級設計更迅速易行。除了Digital-DC係列的FD2106之外，FAN210x TinyBuck係列也可為3A FAN2103和6A FAN2106應用提供全集成同步降壓功能（圖8）。 整個IC采用MLP封裝
，大小僅5x6mm
，有助於設計的緊湊性

，同時可實現最佳熱性能和高效率。

更高的集成度乍看似乎會導致更高的材料清單（BOM）成本，但綜合考慮所有的優勢，如節省空間

、熱性能更好、無wu源yuan元yuan件jian更geng少shao等deng，事shi實shi上shang反fan而er會hui降jiang低di最zui終zhong的de係xi統tong成cheng本ben。這zhe樣yang一yi種zhong全quan集ji成cheng的de解jie決jue方fang案an還hai支zhi持chi高gao係xi統tong可ke靠kao性xing
，因yin為wei元yuan件jian越yue少shao意yi味wei著zhe故gu障zhang風feng險xian越yue低di，而er且qie考kao慮lv到dao熱re設she計ji規gui則ze
，更geng低di的de係xi統tong溫wen度du也ye十shi分fen重zhong要yao。

在設計任務中，熱設計是非常重要的一環。利用現今的MOSFET


、DrMOShuozhajiqudongqi，yibankehuodexiangdanghaodejiedaoguankerezukang
，danguankedaozhouweihuanjingderezukangqujueyusheji
，qietongchangyaogaodeduo。zaidaduoshuxitongzhong，ruozhiliyongPCB，熱阻抗（管殼到周圍環境）在40K/W左右，最好的設計能夠達到25K/W這仍比結到管殼熱阻抗高很多，對MOSFET而言

，後者的典型值為2K/W.因此，PCB的熱設計非常重要，因為這兩個熱阻抗都是串聯的

，並影響PCB的最高溫度
，而這通常正是限製因素（若結到管殼熱阻抗低，結溫就不可能比PCB的高太多）。

對於更大的電流，為了讓熱量擴散到更大的表麵上，多相的分立式解決方案（如2-3個DrMOS器件）是首選。另一個權衡是開關頻率―如果不是因EMI要求或空間限製而預先確定（利用更高的開關頻率來減小無源元件的尺寸）
，更低的開關頻率有助於降低開關損耗
，並最終降低溫度。

至於版圖布局，金屬較多顯然很有助益。更厚的頂層有助於降低溫度
，不過也許對PCB的其餘部分並不適合，因為成本增加了，其它元件需要的更精細的間距也不可能實現。更大的銅麵積很有用，但又會消耗PCB空間。這些應該盡可能由焊料覆蓋，因為金屬表麵比塗漆表麵的散熱性更好。在多層PCB中，有時利用內層來協助散熱。熱通孔（填充焊料）有時可用來把熱量擴散到PCB的另一麵去（圖9）。

對於強迫空氣對流式的係統
，元件布局時需注意的是，不要把轉換器放在其它更大尺寸元件的“風陰影”裏。建議把控製器置於MOSFET的上遊，這樣不會增加多少功耗，而在較低外殼溫度下工作更可靠。

小結

現代嵌入式DC-DC轉(zhuan)換(huan)器(qi)受(shou)益(yi)於(yu)眾(zhong)多(duo)不(bu)同(tong)的(de)技(ji)術(shu)方(fang)案(an)，能(neng)夠(gou)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)，並(bing)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)。在(zai)獨(du)立(li)式(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)或(huo)互(hu)連(lian)數(shu)字(zi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)之(zhi)間(jian)的(de)控(kong)製(zhi)端(duan)上(shang)，以(yi)及(ji)在(zai)集(ji)成(cheng)式(shi)或(huo)分(fen)立(li)式(shi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)之(zhi)間(jian)的(de)功(gong)率(lv)級(ji)端(duan)上(shang)的(de)相(xiang)倚(yi)關(guan)係(xi)顯(xian)示(shi)出(chu)
，可(ke)以(yi)對(dui)工(gong)作(zuo)在(zai)網(wang)絡(luo)中(zhong)的(de)DC-DC轉換器進行優化
，並獲得最低功耗。