适用于空间受限型设计的DC/DC转换器系列 转换器, 空间

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关键字：DC/DC   转换器   电源管理   开关稳压器   MOSFET  
编者注释：IR公司已经掌握了一种灵巧的电源管理设计方法，包括三个要素，即，开关稳压器、功率 MOSFET和IC封装本身。IR的目标是为了实现宽范围的电流输出以用于1A至25A的负载范围，满足电源设计者的需求，同时是在一个标准的、可扩展的格式下进行灵活、高效和鲁棒的设计。他们已经完成了上述的目标。

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。

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。

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。

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