最新的 dc/dc 控制器与 NexFET 功率 MOSFET 的组合可以提高电源效率

效率是一个热门话题，因为客户对该主题越来越敏感

全球能源价格的上涨以及与电子产品相关的运营费用的增加正在成为设备和/或消费品采购决策的重要组成部分。因此，研发工程师一直在寻找降低产品功耗的方法。过去，这主要适用于电池供电的应用，因为效率会严重影响设备的运行时间。然而，这种趋势近年来已经扩大到包括许多离线供电的消费品。“绿色”已从“流行语”转变为当今电源解决方案需要解决的市场趋势。大多数人都在寻找架构变化或低功耗技术，以逐步提高系统效率，同时保持或提高性能水平。在本文中，我们将研究 DC/DC 控制器与最新一代 NexFET 功率 MOSFET 的结合，以通过附加功能来解决更高效率方面的问题，从而提高整体性能。

市场上有许多非隔离式 DC/DC 控制器可以从 3.3 V、5 V 或 12 V 电源轨转换为处理器内核电压。过去运行良好的现有解决方案可能无法满足当今高性能处理器的要求。随着进一步集成和提高性能，处理器内核电压开始下降到 1 V 以下，而其电流消耗增加到数安培。这些工艺技术的进步必须与现成的负载点解决方案相匹配。我们将更详细地解决这些挑战，以展示最新控制器和 MOSFET 技术的优势。这些先进的产品能够支持陶瓷大容量、旁路和滤波电容器、浪涌电流、主动 EMI 降低以通过 FCC 批准规范，严格的电压调节精度，最后但并非最不重要的是，在启动期间支持预充电电容器组。同时实现高效率、小尺寸和更高的可靠性。

下一代控制器技术

TPS4030x 系列等 DC/DC 控制器经过优化，可提高效率并包含当今多轨处理器所需的高级功能。TPS4030x 系列具有强大的驱动器，可快速切换外部 MOSFET 并缩短死区时间，从而在整个负载范围内实现高效率。带有集成二极管的自举电路还允许使用低 R DS(ON) N 沟道 MOSFET 作为高端开关。TPS4030x 系列同步降压控制器在 3 至 20 V 输入范围内工作，支持 3.3 V、5 V 和 12 V 的中间总线电压。这些控制器实施电压模式控制架构。频率扩展频谱 (FSS) 功能为开关频率增加了抖动，从而显着降低了峰值 EMI 噪声并使其更容易符合 EMI 标准。

这些控制器通过各种用户可编程功能提供设计灵活性，包括软启动(电容器连接 EN/SS 引脚)、过流保护 (OCP) 电平(电阻连接到 LDRV/OC 引脚)和环路补偿。在正常操作期间，将电阻器编程的 OCP 电压电平与导通低侧 MOSFET 上的电压降进行比较，以确定是否存在过流情况。控制器进入重新启动打嗝模式，直到故障消除。

EMI 设计挑战

开关模式电源 (SMPS) 电源转换的所有优点的潜在负面因素是电源脉冲的高 dv/dt 和 di/dt 产生的噪声。当用于减轻 EMI 产生的传统技术无法提供必要的噪声容限时，频率扩展频谱 (FSS) 的应用可以实现所需的能量降低。例如，当使用 TPS40303x 系列时，可以通过在 BP 和 EN/SS 引脚之间连接一个阻值为 267 kΩ ±10% 的电阻器来启用 FSS 功能。启用后，它使用具有三角形轮廓的 25 kHz 调制频率将内部振荡器频率扩展到至少 12% 的窗口。通过调制开关频率，产生边带。基本开关频率及其谐波的发射功率分布成分散在许多边带频率周围的较小部分。该效果显着降低了峰值 EMI 噪声，并使合成的发射频谱更容易通过 EMI 法规。通过启用此功能，可以在较高频率下将 EMI 能量降低多达 10 dB。

排序和预偏置启动

大多数处理器制造商都为内核和 I/O 上电排序提供时序指南。一旦了解了系统的时序要求，就可以选择适当的技术。有几种不同的方法可以为多轨电源供电和断电;顺序、比例或同时测序。此外，许多应用程序需要支持预偏置启动。

当内核电压和 I/O 电压上电所需的时间间隔很短时，可以执行排序。这可以是任何顺序。使用 TPS4030x 执行此操作的最简单方法是将一个控制器的 PGOOD 引脚连接到另一个控制器的 EN/SS 引脚。

要实现比率排序，只需将两个或多个转换器的 EN/SS 引脚连接在一起即可。这种简单的技术允许通过多个电流源向一个通用软启动电容器充电。这样，所有控制器都使用相同的斜坡并同时达到调节。

在需要预偏置的系统中，可以在芯电压打开之前施加I/O电压，并且在芯和I/O电压之间必须存在最小增量。图3显示了一个预偏置启动波形的示例。在这种情况下，处理器的制造商建议二极管在核心电压通电之前对核心电压进行预偏置。这保持了核心和I/O电压之间的最小增量。使用同步降压 dc/dc 转换器时，请确保低端 MOSFET 在启动期间保持关闭，否则已经施加到内核的偏置电压将在 dc/dc 转换器启动时下降到地。这可能会损坏外部旁路二极管。当内核的转换器开启时，内核电压应从偏置电压上升到所需的电压电平。

当然，当电容器组在短路电源故障期间保持预充电时，也会发生相同的情况。在多轨系统中，这会对多轨处理器的 ESD 结构造成严重损坏。因此，推荐的做法是使用支持预偏置的控制器，其中同步 MOSFET 在启动期间将被禁用，如果电路需要，则依靠 FET 的体二极管来维持电流流动。

NexFET 功率 MOSFET 达到新的性能水平

在 1980 年代，平面技术是 MOSFET 制造商使用的主要结构。到 1990 年代后期，大多数制造商转向沟槽结构，因为它在特定导通电阻方面的固有优势。普遍的想法是低 R DS(ON) 允许设计人员在其负载点 (POL) 应用中实现高电流密度。然而，沟槽结构的缺点是在栅极和漏极(米勒电容)以及栅极和源极之间产生的高电容。这些大电容意味着需要大量电荷来切换设备。这会在开关期间在控制器的驱动器电路和 MOSFET 器件中产生很大的损耗。因此，设计人员不愿提高开关频率并牺牲设计效率。

2007 年，NexFET 功率 MOSFET 被商业化推出。与 TrenchNET 结构相比，NexFET 结构能够实现类似的特定导通电阻，但显着降低了相关电容。这导致 R DS(ON) x Q g 和 R DS(ON) x Q gd中现有技术的品质因数 (FOM) 约为现有技术的 50% 。改进的 FOM 允许 NexFET 技术在给定频率下实现更高的效率。该技术还使功率损耗曲线变平，以实现更高的开关频率和功率密度的改进。

令人信服的结果

最新的 dc/dc 控制器与 NexFET 功率 MOSFET 的组合可以实现世界一流的性能，同时提供多轨处理器所需的高级功能。该电路在 20 安培电流下的效率超过 90%，输出开关频率为 600 kHz。由于控制器和 NexFET 提供的低开关损耗，整个负载线的效率是平坦的。即使将输入电压从 3.3 V 增加到 12 V 轨，也能保持高性能。通常在 12 V 时，轻负载效率低于 5 安培时要低得多。NexFET 技术降低了开关损耗和开关较高电压的相关损失。