电源管理：满足复杂DC-DC功率转换要求

引言
在测试测量设备或嵌入式计算等工业应用中，嵌入式DC-DC转换器的系统架构可能相当复杂，在输出电压和电流、纹波、EMI及上电顺序等许多不同方面都有相关要求。本文主要探讨了DC-DC应用中转换器功率级选择的影响。
先进嵌入式DC-DC转换器的要求
许多工业系统，如测试测量设备，都需要嵌入式DC-DC转换器，是因为这些应用所需的计算能力日益增加。这种计算能力由DSP、FPGA、数字ASIC和微控制器提供，而得益于工艺几何尺寸的日益缩小，该类器件在不断的进步。另一方面，这也带来了三大要求：第一，电源电压越来越低（当然，还有容许的电压纹波和负载变化）；其次，电源电流逐渐变大；第三，这些IC通常需要为内核和I/O结构以准确的顺序提供单独的电压，以避免闩锁现象的发生。
嵌入式DC-DC转换器必须具有出色的效率。这类转换器的可用空间很小，对于热设计尤其具有挑战性，因为嵌入式转换器主要依赖PCB上元件周围的铜面积来改善系统热阻抗。由于功耗与电流的平方成正比，随着负载电流的增加，这种情形会更加恶化。因此这时需要低导通阻抗RDSON、低开关损耗的电源开关。不过鉴于器件的导通阻抗RDSON越低，寄生电容乃至开关损耗就越高，最终功耗也越高，故必需进行一定的权衡取舍。嵌入式DC-DC转换器的另一个主要要求是EMI必需低。这些转换器产生的噪声会对周围的电路造成干扰，因而必须尽可能地小。不过，高速（以降低开关损耗）转换大电流（若负载所需）不可避免地会产生很大的开关噪声，包括传导噪声和辐射噪声（主要是磁场）。因此，必需特别关注功率级元件选择和布局的优化，尤其是在驱动器连接方面。此外，PWM控制拓扑也有一定影响。
举例来说，采用0.09μm技术的数字IC可能需要1.2V±40mV的电源电压。根据该DSP的数据表，其电源电流可高达952mA.另一个例子是65nm工艺制造的大尺寸FPGA，1.0V +/-50mV电源电压、85℃时，需要4.2 A的闲置电源电流。在工作模式下，按照具体配置情况，电流可增至18A，因在高开关频率下，动态要求非常高。
这些应用中包含多个不同IC相当常见，譬如，由一个较小的微控制器（电源电压较高时）来负责所有的接口和主机功能，利用一个较大的DSP或专用硬件来执行计算密集型功能。很多时候，还专门使用另有一套电压要求的高性能A/D转换器来改善噪声性能，真正充分利用这些转换器的分辨率和带宽。这些趋势催生出具有众多相倚关系的复杂的功率管理系统。
模块化控制提升系统设计
一个应用建议是把DC-DC转换器尽可能靠近负载放置。这样做可以把EMI降至最低、减小宽的大电流线迹所占用的板空间，并改进转换器的动态特性。“分布式”功率管理系统应运而生，在这种系统中，所有转换器都理想地彼此相连。能够与其它转换器在网络中协同工作的一个控制器例子是FD2004，如图1的模块示意图所示。

FD2004是Digital-DC产品系列的一员，整合了数字环路控制和高集成度功率管理功能。这种控制器及其同系列产品，可通过SMBus （系统管理总线）与主控制器和其它DC-DC转换器相连接，轻松实现许多不同的功能，如转换器的系统内配置、上电顺序、余量功能（margining）、故障保护以及系统监控。所有这些功能都有助于缩短上市时间，更重要的是，提高系统可靠性。
FD2004可以与外部栅极驱动器（如FD1505）和分立式MOSFET，或是集成了驱动器与MOSFET的单封装DrMOS产品协同工作。它还可以在独立式应用中通过电阻来编程—特别地，输出电压的最大值由电阻设定，且利用软件命令设定的电压最大值不得超过10%以上，以保护负载。在需要较大电流的应用中，如多相转换器，所选的架构可实现多达8个相位的电流共享，而且可在输出功率较低时实现切相（phase shedding）来保持高效率。该款控制器基于带自适应性能算法和环路补偿的数字控制环路，支持高达1.4MHz的开关频率。时钟同步可协助提升EMI性能。对于同时需要集成式驱动器和分立式外部MOSFET的应用，FD2006也是个不错的选择。
对输出电流较低的系统电压，集成式DC-DC转换器值得推荐，此时，PCB面积和易于使用都是最重要的考虑因素。数字转换器，如FD2106 （6A max），象Digital-DC系列的其它产品一样具有通信功能，可与分立式MOSFET或基于DrMOS等能提供更大电流的转换器一起使用。对独立式应用而言，由于不需要与系统内其它转换器连接，还可以采用集成式转换器（如飞兆半导体的FAN2106）。
数字功率管理系统的控制器和转换器链可通过图形用户接口来控制，很容易对所有参数和系统性能监控进行修正。这种软件运行在PC机上，并经由USB接口与控制器连接。当参数全都良好时，它们被储存在控制器的非易失性存储器中，这样PC机就不再需要运行系统了。

如图2所示的DC-DC功率级可采用不同方式设计，以同时获得最佳电气性能和热性能。
1.带驱动器和MOSFET的分立式解决方案现在仍在普遍使用。为满足所有设计要求，现在飞兆半导体提供的采用小尺寸热性能增强型MLP（QFN）封装的产品，可获得高系统性能。MOSFET实现了首先采用MLP封装（见图3所示）。其Power56和Power33产品系列采用最新的PowerTrench技术，能够同时提供超低RDSon和低Qg，从而适用于高开关频率应用。键合技术可减小封装的电感，提高封装有限的ID，适用于大电流应用。其低端FET产品组合采用SyncFET集成了肖特基二极管，在实现高开关性能的同时降低了热耗。
FDMS9600S在一个不对称的Power56封装内集成了一个高端FET和一个低端SyncFET，可进一步提高热性能，并实现小尺寸的紧凑型PCB设计（图4）。

2.上述带驱动器和MOSFET的分立式解决方案也备有8x8mm或6x6mm MLP封装的MCM（多芯片模块）。这些DrMOS（DriverMOS）产品系列包括8x8mm产品FDMD87xx和6x6mm产品FDMF67xx，可满足不同的设计要求。而评估板则可协助设计人员熟悉应用，并测试性能以便与分立式解决方案相比较（图5）。
带有Power56 MOSFET和SO-8驱动器的分立式解决方案的板卡占位面积在120mm2左右，而MCM只需要64mm2或36mm2.后者模块中的各个器件经精心挑选并全面优化，相比分立式解决方案其性能更高，热性能也更好（图6和图7）。受电脑行业的推动，这种解决方案可使电流高达30A，并针对最高1MHz的开关频率优化。甚至在大电流设计中即使考虑到热设计规则，也无需散热器，因系统中空气流对于该芯片散热是足够的。
3.最终全集成开关将使功率级设计更迅速易行。除了Digital-DC系列的FD2106之外，FAN210x TinyBuck系列也可为3A FAN2103和6A FAN2106应用提供全集成同步降压功能（图8）。

整个IC采用MLP封装，大小仅5x6mm，有助于设计的紧凑性，同时可实现最佳热性能和高效率。
更高的集成度乍看似乎会导致更高的材料清单（BOM）成本，但综合考虑所有的优势，如节省空间、热性能更好、无源元件更少等，事实上反而会降低最终的系统成本。这样一种全集成的解决方案还支持高系统可靠性，因为元件越少意味着故障风险越低，而且考虑到热设计规则，更低的系统温度也十分重要。
在设计任务中，热设计是非常重要的一环。利用现今的MOSFET、DrMOS或栅极驱动器，一般可获得相当好的结到管壳热阻抗，但管壳到周围环境的热阻抗取决于设计，且通常要高得多。在大多数系统中，若只利用PCB，热阻抗（管壳到周围环境）在40K/W左右，最好的设计能够达到25K/W这仍比结到管壳热阻抗高很多，对MOSFET而言，后者的典型值为2K/W.因此，PCB的热设计非常重要，因为这两个热阻抗都是串联的，并影响PCB的最高温度，而这通常正是限制因素（若结到管壳热阻抗低，结温就不可能比PCB的高太多）。
对于更大的电流，为了让热量扩散到更大的表面上，多相的分立式解决方案（如2-3个DrMOS器件）是首选。另一个权衡是开关频率―如果不是因EMI要求或空间限制而预先确定（利用更高的开关频率来减小无源元件的尺寸），更低的开关频率有助于降低开关损耗，并最终降低温度。
至于版图布局，金属较多显然很有助益。更厚的顶层有助于降低温度，不过也许对PCB的其余部分并不适合，因为成本增加了，其它元件需要的更精细的间距也不可能实现。更大的铜面积很有用，但又会消耗PCB空间。这些应该尽可能由焊料覆盖，因为金属表面比涂漆表面的散热性更好。在多层PCB中，有时利用内层来协助散热。热通孔（填充焊料）有时可用来把热量扩散到PCB的另一面去（图9）。

对于强迫空气对流式的系统，元件布局时需注意的是，不要把转换器放在其它更大尺寸元件的“风阴影”里。建议把控制器置于MOSFET的上游，这样不会增加多少功耗，而在较低外壳温度下工作更可靠。
小结
现代嵌入式DC-DC转换器受益于众多不同的技术方案，能够提高系统性能和可靠性，并降低成本。在独立式转换器或互连数字转换器之间的控制端上，以及在集成式或分立式解决方案之间的功率级端上的相倚关系显示出，可以对工作在网络中的DC-DC转换器进行优化，并获得最低功耗。