比较可堆叠 DCDC 降压转换器和多相控制器的功率密度

TI 比较了可堆叠 DC/DC 降压转换器和多相控制器的功率密度，着眼于尺寸、散热、效率和成本。

鉴于能够有效支持大于 30 A 输出电流的 DC/DC 转换器数量有限，设计工程师主要依靠带有外部场效应晶体管 (FET) 的多相降压控制器来实现大电流应用。

具有集成金属氧化物半导体 FET (MOSFET) 的新型负载点 DC/DC 降压转换器可以在与多个转换器互连时实现高输出电流，也称为堆叠。堆叠转换器使设计人员能够在大电流应用中利用 FET 集成的优势。

在本文中，我将使用WEBENCH 电源设计器来比较一个设计 — 使用德州仪器 (TI) 双相TPS40425 DC/DC 控制器和外部功率级 — 第二个设计使用两个 40-A TPS546D24A堆叠集成FET DC/DC 转换器，同样来自 TI。WEBENCH Power Designer 是一个端到端的在线设计工具，可以根据用户的要求创建定制的电源电路。

本文中引用的所有设计以及从所述设计中收集的数据都将从 WEBENCH 工具中收集。基于控制器和基于转换器的设计都具有相同的输入电压 (12 V)、输出电压 (1 V)、开关频率 (550 kHz) 和输出电流 (50 A)。我将比较最终的尺寸、散热、效率和成本;讨论两种设备类型的优点;并强调为什么一种设计架构可能在某些设计场景中具有优势。

功率密度

功率密度定义为每单位体积的功率输出量度。对于希望创建能够在更小区域内提供更高电流的设计的工程师来说，更高的功率密度非常有价值。为了比较面积，WEBENCH Power Designer 工具的尺寸优化设置适用于两种设计。WEBENCH 将设计区域定义为集成电路 (IC)、所有外部组件以及组件的所有必要禁止区域的占位面积之和。当优先考虑最小面积和高功率密度时，可堆叠降压转换器比多相降压控制器具有明显优势。

例如，TPS40425 控制器设计产生的总面积为 916 mm 2，而两个堆叠 TPS546D24A 转换器的相同优化设置产生的总面积为 802 mm 2。这 14.2% 的面积减少是因为两个转换器都集成了 MOSFET。在控制器设计中，两个外部功率级的占位面积各为 56 mm 2，而转换器在 IC 内完全集成了等效 FET。

当堆叠转换器以实现更高电流时，转换器设计的尺寸优势开始减弱，因为每个单独的转换器都集成了控制器和 MOSFET。换句话说，对于每个新堆叠的转换器，都有一个控制器占用更多的电路板空间。对于一个控制器，您只需要添加更多的功率级，同时保留一个控制器 IC。因此，在控制器设计中添加更多功率级比在转换器设计中堆叠转换器需要更少的电路板空间。

目前不可能堆叠超过四个转换器，这限制了可堆叠转换器可以输出的电流量。具有外部功率级的多相控制器设计可以输出更高的电流。

在某个时刻，TPS546D24A 转换器设计开始产生比控制器设计更大的面积。单个 TPS546D24A 转换器以 40A 的最大输出电流和 550kHz 的开关频率运行，其设计面积约为 585 mm 2。估计两个或多个堆叠转换器的设计面积与一个转换器的面积成比例。例如，在将两个转换器堆叠在一起的设计中，设计面积约为 2 × (585 mm 2 ) = 1,170 mm 2。

堆叠多达4个TPS546D24A转换器将产生160 A的总输出电流，但TPS40425控制器只能达到80的最大负载电流 A. 相反，让我们比较一下TPS546D24A转换器的大小与六相TPS53667控制器的大小，后者的最大输出电流为160 A.

堆叠三个转换器时，堆叠转换器的尺寸优势明显减弱，堆叠四个转换器时的设计面积大于控制器设计。我已经做了一些近似值，这些近似值会影响此比较的确切足迹测量。转换器设计假设每个堆叠转换器 IC 都包含几个模式选择电阻器。实际上，在堆叠设计中，最多只有一个转换器需要这些电阻器。

TPS53667控制器使用了6个功率级，而在TPS546D24A转换器中集成了四个总功率级。理想情况下，四堆叠转换器设计将直接比较四相控制器设计，只需要四个功率级，而不是六级，这将产生一个更小的尺寸。转换器设计大于六相控制器设计的事实表明，在更大的堆栈数量下，尺寸受到损害的程度。尽管有这些近似，您可以期望可堆叠转换器设计在堆叠四次时失去与多相控制器相比的尺寸优势。

效率

效率很大程度上取决于选择的 FET 或位于开关节点上的功率级，无论它是集成的还是位于外部。将 TPS546D24A 可堆叠转换器设计的效率与使用 CSD95372BQ5M 外部功率级的 TPS40425 多相降压控制器设计进行比较时，您可以看到两种设计在 50A 时的效率非常相似：转换器为 89.5%，转换器为 89.9%控制器。效率与负载电流关系图表明，控制器设计的总体效率往往更高，直到负载电流约为 55A。

CSD95372AQ5M外部功率级的优势在于其推荐的最大工作开关频率为 2,000 kHz，因此选择更高的开关频率需要较少的妥协。与转换器中的集成 FET 相比，外部功率级可以在更高的开关频率下保持更高的效率。如果您的设计不需要在更高的开关频率下运行，您可以将功率级换成 CSD95327BQ5M，它具有更高的效率但成本更高，并且对输入电压噪声的容忍度更低。当优化效率成为优先事项时，设计人员可以自由选择最佳外部功率级进行设计。

功率损耗直接影响效率。同步降压转换器中功率损耗的一个重要来源是 MOSFET 损耗，它由传导损耗和开关损耗组成。传导损耗由 MOSFET 的导通电阻和晶体管的均方根电流决定。开关损耗包括几个部分：MOSFET 开关损耗(高侧和低侧)、MOSFET 栅极驱动损耗、低侧体二极管损耗和 MOSFET 输出电容损耗。特定应用的所选输入参数(例如输入电压、输出电压、输出电流和开关频率)会影响这两种损耗的大小。控制器设计中的外部功率级使设计人员能够选择一个功率级，以最大限度地减少总功率损耗并最大限度地提高其特定应用的效率。

不幸的是，不可能进一步在转换器中优化集成的fet，这使您无法达到与效率优化的控制器设计相同的效率。然而，您可以为转换器设计的易于使用提供一个理由。在控制器设计中，最小化功率损失的时间可能不值得效率上的边际效益。

热耗散

散热是一种印刷电路板(PCB)功率损耗的形式，它会影响设计的效率。有效的散热最大限度地增加在PCB上传导热的铜面积。在直流/直流降压控制器和转换器布局中，热源来自多相控制器和功率级。一种能产生更多功率密度的设计往往会有更差的散热效果。

由于TPS546D24A转换器集成了功率级和控制器，所以热产生的来源仅来自两个转换器集成电路，其占地面积为126 mm2。控制器设计从主控制器IC电路和两个外部功率级产生热量，其占地面积为178 mm2。控制器设计比变频器设计更能散热41%，因此在理论上，控制器设计往往具有更好的热性能。设计成本

让我们使用电源设计器的成本优化功能来比较优化设置下每个设计的成本和大小，并从电源设计器生成材料清单(BOM)成本。

当对成本进行优化时，TPS546D24A转换器设计的BOM成本低于TPS40425控制器设计的BOM成本。当优化尺寸时，TPS546D24A转换器设计的解决方案尺寸为802 mm2，但总BOM成本为36.32美元。尺寸优化的设计要求小输入的大容量电容器，占20.52美元，或超过BOM总成本的50%。如果最小化成本是最优先的，您可以将大容量电容器替换为成本较低但具有更高的设计方案。

优化成本可以使BOM减少59%，但可以权衡增加29%的规模。这种权衡是否值得取决于应用程序，但很明显，成本优化的设计比尺寸优化的设计更接近于更平衡的设计。

在这种情况下，成本降低来自使用具有更大尺寸的低成本输入电容器。由于控制器设计不需要任何大容量电容器，因此两种优化之间的成本和占位面积差异不大。尺寸优化的控制器设计成本比转换器设计成本低 29%，但要大 14%。这很重要，因为例如，如果您的设计对成本敏感并且不需要绝对最小尺寸，您可以选择尺寸优化的控制器设计，而不是更昂贵的转换器设计。如果您可以承受大于 1,000 mm 2的占位面积，则成本优化转换器设计提供了更平衡的解决方案，与成本优化控制器设计相比，总 BOM 成本更低，占位面积更小。

采购也是考虑成本时的一个因素。可堆叠式转换器简化了采购过程，因为电源阶段的集成意味着设计师必须只保留一个IC的库存，而不是一个IC及其电源阶段。一个设备的大规模采购可以进一步降低更大的价格，尽管差异可能没有那么显著。控制器在采购方面的优势在于提供电力级、fet和驱动程序的各种供应商。

结论

总体而言，可堆叠转换器通常可以实现更小的尺寸，即使在优化成本时也不会受到影响。多相降压控制器提供更好的散热和效率，同时让设计人员可以自由定位和选择自己的功率级。在有线网络和无线基础设施应用中使用转换器可以优先考虑降低成本和尺寸。当您需要高效率和卓越的热性能，或者您的设计需要非常高的电流时，多相控制器非常适合。