利用动态功率控制来抑制电流输出数模转换器的过热问题

摘要

当拉/灌电流数模转换器(IDAC)驱动负载时，通道电源电压(PVDD)和输出负载电压的差值会以电压降的形式作用于负载上。这会导致片内功耗，进而造成芯片温度过高，不仅影响可靠性，还可能降低系统整体效率。为了解决上述问题，本文介绍了一种简易的动态功率控制方法。同时，通过采用集成ADI公司最新单电感多输出(SIMO)技术的DC-DC转换器，还有助于缩小解决方案尺寸。借助动态功率控制，IDAC电源电压维持在极低水平，确保IDAC通道在任何给定输出电流和负载电压下都能正常运行，从而尽量降低片内功耗。

原理

IDAC的输出级

图1显示了IDAC的简化输出级。需要注意的是用于拉（灌）电流的输出PMOS (NMOS)驱动级。MOS级的源极连接到负载，因此负载电压决定了IDAC的工作状态。为了用精准的电流驱动负载，负载电压应足够低（对于灌电流来说应足够高），以使输出器件保持饱和状态，进而维持高输出阻抗。

图1.IDAC的输出级

热约束

因此，IDAC的输出级在提供输出电流的同时，会消耗全部的电压裕量，即电源电压与负载电压的差值。这会导致输出级产生功耗，进而使器件温度升高。片内功耗就是裕量电压与输出电流的乘积。

片内功耗会导致芯片的结温上升至建议的工作限值以上，对具有高通道密度或较高环境温度的系统而言可能是个大问题。

假设一个IDAC通道为10 Ω负载提供最大300 mA的输出电流，IDAC电源PVDD为3.5 V，相应的负载电压VOUT为3 V，如图1所示。因此，裕量电压为0.5 V，片内功耗约为0.5 V × 300 mA = 0.15 W。如果随后让IDAC通道提供低于满量程的电流，或者降低负载阻抗，则负载电压会降低，多余的裕量会作用在输出MOS级上，表现为片内散热。

器件结温与功耗的关系如公式1所示。

其中：

TJ是结温。

PDISS是片内功耗。

θJA是结热阻，通常在数据手册中提供。

TA是环境温度。

也可以从另一个角度来看待公式1：对于给定的功耗，可以确定器件所能承受的最高环境温度，如公式2所示。

对于49引脚WLCSP封装，最大结温TJ(MAX)不能超过115°C，该封装的热阻θJA为30°C/W。在上例中，单个IDAC通道的内部功耗PDISS为0.15 W，故温升为0.15 W × 30°C/W = 4.5°C。最高安全环境温度降低至110.5°C。

如果单个封装中有四个通道，每个通道的内部功耗为0.15 W，则片内总功耗为0.6 W。四个通道导致的温升为PDISS × θJA = 0.6 W × 30°C/W = 18°C。因此，最高安全环境温度进一步降低，仅有97°C。

在当今的光通信系统中，通道密度要求不断提高，97°C的TA(MAX)显然会成为终端应用中的一个问题。在单个电路板或系统中，通常使用多通道电流输出DAC来驱动光负载，例如激光二极管、硅光放大器和硅光电倍增管。此外，高密度设计可能会导致系统温度显著升高。

动态功率控制

使用动态变化的PVDD电源电压可以缓解片内功耗过大的问题，这种方法也被称为动态功率控制(DPC)。DPC力求根据任何特定的输出电流和负载电压，提供刚好能够保证IDAC通道正常工作的PVDD电源电压。

DPC有多种不同的实现方法。一种方法是利用ADC检测负载电压，再由微控制器计算所需的PVDD电压。然后，该电源电压可由另一个电压或拉/灌电流DAC设置，甚至由所用IDAC的另一个通道来设置。

DAC可以通过多种方式来改变PVDD。图2和图3分别显示了利用电压和电流输出DAC来调节开关模式稳压器的输出，该稳压器具有可编程输出和反馈(FB)节点。

图2.利用电压输出DAC改变DC-DC转换器的输出

图3.利用拉/灌电流DAC改变DC-DC转换器的输出

本文详细介绍了IDAC AD5770R动态功率控制的一种简单实现方案，它使用精密模拟微控制器ADuCM410作为主机，并采用了SIMO开关稳压器MAX77655。

图4.动态功率控制解决方案的实现

对于ADI公司的其他IDAC系列，可以采用ADI公司的其他开关稳压器来实现这种解决方案。MAX77655使用I2C总线控制其输出电压，因此不需要前面提到的DAC。

测试动态功率控制

图4显示了用于展示动态功率控制优势的完整系统设计。SIMO稳压器通道用于为IDAC的各个PVDD电源供电。主机微控制器用于控制稳压器输出和IDAC输出电流。IDAC内置诊断多路复用器，可提取每个通道的输出电流和负载电压。主机控制器的内置模数转换器(ADC)用于检测IDAC的多路复用输出并将其数字化。

DPC算法有多种形式，但大致可以分为两类：一类用于IDAC驱动已知阻抗的情况，另一类用于IDAC驱动未知或变化阻抗的情况。

对于已知阻抗，微控制器可以通过计算得知所需的最小电源电压，并相应地设置PVDD电源电压。

对于未知阻抗，或者更常见的是，对于阻抗随温度而变化的负载，主机控制器可以在PVDD电源电压足够高的时候，首先检测负载电压。然后，控制器可以将PVDD电源电压降至最优值，即负载电压和最小裕量电压之和。此步骤可以在每次IDAC通道数字码改变时触发，或者以固定的时间间隔触发，具体触发方式取决于最终应用的需求。

无论采用何种方法，值得注意的一个关键规格是IDAC的最小裕量电压规格。PVDD电源电压和负载电压的任何差异都会作用在IDAC输出级上，导致片内散热。

结果

出于演示目的，图5仅绘制了一个IDAC通道(IDAC5)的结果，其满量程电流范围为100 mA，用于驱动22 Ω负载。需要注意的是，该IDAC的最小(PVDD–AVEE)电源要求为2.5 V，最小裕量电压为0.275 V。主机微控制器上运行的固件代码必须遵守这些限制。

图5.片内功耗比较及PVDD电源电压

片内功耗利用PVDD电源电压和负载电压的差值来计算。我们计算了两种情况下的功耗：一种是有DPC，一种是没有DPC。在没有DPC的情况下，PVDD电源电压固定在2.5 V，AVEE = 0 V。

通过测量开关稳压器3.3 V输入端和IDAC的AVDD引脚的电流，还可以得到系统的总功耗。图6显示了在0 mA至100 mA的整个电流范围内，系统从3.3 V电源消耗的总功率。

图6.有DPC和无DPC两种情况下的系统总功耗

图7和图8显示了在PVDD和IDAC通道引脚上观察到的纹波图。IDAC由开关稳压器输出直接驱动（如图4所示），因此预计会出现一定量的纹波，具体大小取决于IDAC的交流电源抑制比(PSRR)规格。交流PSRR衡量输出电流对DAC电源交流变化的抑制能力。如果应用需要，可以优化SIMO的输出电容和/或在SIMO PMIC输出端使用滤波器，从而进一步消除纹波。这些曲线图是在SIMO输出端和IDAC电源引脚之间使用LC滤波器后获得的。建议使用低ESR的电感，因为IDAC可以提供或吸收大量电流。

图7.使用交流耦合输入的IDAC5 100 mA范围的满量程纹波图（交流耦合）

图8.使用交流耦合输入的IDAC5 100 mA范围的半量程纹波图（交流耦合）

实现方案

根据最终应用，硬件实现可以采用不同的形式。图11显示了两种方案：一种采用单极性电源，仅有MAX77655（顶部）；另一种采用双极性电源，外加了DC-DC转换器ADP5073（底部）以提供负电源。这两种情况都没有显示微控制器。如图所示，两种方案都非常紧凑，尺寸分别为1.275" × 0.605"和1.502" × 0.918"。两种方案均未经过评估，仅用于演示解决方案的紧凑性。结果是使用分立电路板获得的。图9和图10显示了相关解决方案的3D渲染效果。

图9.采用单极性电源的最终解决方案的3D效果图

图10.采用双极性电源的最终解决方案的3D效果图

图11.使用SIMO PMIC作为电源解决方案的布局示例。上方：单极性电源。下方：双极性电源。

结论

总而言之，动态功率控制能够减少电流输出DAC的片内功耗，并降低总功耗，同时不会对负载运行造成不利影响。SIMO拓扑的开关稳压器是驱动AD5770R等IDAC的理想解决方案，而且在布局上非常紧凑，能效也很出色。