高性能和高密度大电流POL设计解决方案 解决方案, 空间

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作者: Ramesh Balasubramaniam

所有的电子产品都像我们这个世界一样正在不断缩小。随着电路功能和集成度的提高，PCB板的空间变得弥足珍贵。主要的板空间要分配给应用的内核功能，这些应用包括微处理器、FPGA、ASIC以及与其相关的高速 数据通道和支持元件。虽然设计者并不想这样做，但是电源却必须压缩到剩下的有限空间之内。功能和密度的增加，耗电也相应增加。这就为电源设计者带来了一个很大的挑战，即如何以更小的占位提供更高的电源？

答案说起来非常简单：提高效率并同时提高开关频率。而实际上，这却是一个很难解决的问题，因为更高的效率和更高开关频率是互相排斥的。尽管如此，IR公司IR3847大电流负载点(POL)集成稳压器的设计者还是开发出来了采用集成型MOSFET的DC-DC降压转换器，该转换器可以在一个紧凑的5×6 mm封装中(如图1)，将IR第三代SupIRBuck系列的额定电流扩展到25A。



图1: IR3847 5x6 mm QFN封装。

这一解决方案拉动了三个领域的共同创新：IC封装、IC开关稳压器电路设计和高效MOSFET。由于最新的热增强型封装采用铜片，控制器中的创新是针对大于1MHz开关频率的控制器和IR的最新一代，即12.5代 MOSFET，IR3847可以在无散热器的情况下，在25A的电流下运行，与采用控制器和功率MOSFET的分立式解决方案相比，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，现在可以实现完整的25A电源解决方案。



图2: PCB面积的缩减。

允许开关频率提高到1MHz或者更高，但仍要采用高输入电压(如12V)，这就需要一款新的专利型模块架构，产生极小的导通时间脉冲。例如，将输出功率从12V转换至1V的1MHz设计，要求具有83ns的脉冲宽度，这样就可以容许极小的抖动。在这些条件下，标准的PWM机制通常会产生30~40ns的抖动，对于这些应用而言，这样的抖动时间是没有意义的。IR3847内的PWM调制电路仅产生4ns的抖动，与标准解决方案(图3)相比，缩减了90%。这就实现了双赢，即将输出电压纹波降低约30%的同时，允许1MHz或更高的频率/更高宽度的操作，实现了更小的尺寸、更好的瞬态响应并采用了更少量的输出电容。



图3: 抖动比较。

新器件集成了IR公司最新一代的功率MOSFET，从而为具有15A~25A的应用取得市场领先的电子性能，其峰值效率高于96%。为了达到市场领先的散热性能，例如，在提供25A的电流时，温度仅仅上升50°C的低值，采用了公司独有的封装(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“漏极在下”配置。大多数的热量是在同步MOSFET源中产生的，并且立即传导出封装，并降至底平面，而不是像竞争解决方案那样，是要经过硅芯片。这就有助于从控制MOSFET中传热同时降低MOSFET间开关结点之间连接的电阻。



图4: 专利型封装将热传导和电子传导最大化。

作为第三代SupIRBuck中的一员，这些器件符合工业市场中-40oC至125oC的工作结温要求。它可能针对单输入电压(5V~21V)操作进行配置，或者当提供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，而且内部智能LDO可以实现整个负载范围上的效率优化。真正的差分远程检测对于大电流应用(图5)至关重要，在25°C至105°C的温度范围上，实现0.5%的基准电压精度，输入前向和超低抖动相结合，可以实现整个线压、负载和温度上高于3%的整体输出电压精度。其它高级特性还包括外部时钟同步、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引脚和内部软启动。IR3847还具有采用专业检测引脚(VSNS)的真正的输出电压检测。这就提供了一个强劲的解决方案，可以保证在所有条件下都可以对输出电压进行监测，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。



图5：差分远程检测。

除此之外，还要关注对于布局的简化，并使设计更加强劲以免受噪声的干扰。例如，通过对引脚输出进行优化，实现对于旁通电容器实现简易的布置，并通过三线引脚，选择电流限度，这样就降低了对于芯片的噪声注入并节省了电容器，最终简化了布局。

利用带有真正差分远程检测功能的大电流IR3847，IR解决了受到散热和空间限制的高密度和大电流应用方面的挑战。当与标准的分立解决方案相比时，IR3847将PCB占位空间降低了70%，仅要求具有168mm2的PCB占位面积，以提供25A的电流并在负载端的右侧，总的输出电压精度提高了3%。竞争器件一般仅具有5%或更低的精度。通过为脉冲宽度的抖动时间大幅度降低50 ns，IR3847实现了更高的闭环带宽，最终实现了更好的瞬态响应和更低的输出电容。