如何實現(xiàn)簡化和加快設計的小尺寸集成解決方案

作者：CECILIA CONTENTI高級營銷經(jīng)理英飛凌科技

開發(fā)高效負載點 (PoL) 調(diào)節(jié)方案，同時減少電路板空間是各種服務器、存儲、通信和消費類應用的關鍵要求。此外，必須在更短的設計周期內(nèi)設計、測試和實施此類 PoL 應用程序。為了應對這些挑戰(zhàn)，工程師們越來越多地尋找可以幫助他們簡化和加快設計的小尺寸集成解決方案。

PoL 電源的要求 PoL 轉(zhuǎn)換器是電力系統(tǒng)架構(gòu)向前邁出的重要一步。為了響應降低電壓水平和增加電流要求的驅(qū)動力，PoL 是基于某種形式的分布式電源架構(gòu) (DPA) 的現(xiàn)代設計的關鍵推動者。

使用圖 1 所示類型的 DPA 方法 帶來了許多好處，包括消除單一的中心故障點。然而，PoL 真正證明其價值的地方在于，更高的母線電壓可以一直使用到系統(tǒng)中需要轉(zhuǎn)換的點，從而減少配電損耗。只有在這一點上，電源電壓才會轉(zhuǎn)換為負載（通常是處理器）所需的低電壓、高電流軌。

圖 1：典型的分布式電源架構(gòu)。

“頭條”效率通常是在更高的功率水平下測量的——通常是當系統(tǒng)以 70% 或更高的全輸出運行時。然而，為了減少能源使用，現(xiàn)在許多系統(tǒng)都提供“睡眠”或“待機”模式，這是效率的新焦點。根據(jù)運行時間與睡眠時間的比率，待機效率可能是定義系統(tǒng)使用成本的關鍵驅(qū)動因素。

典型的設計挑戰(zhàn)設計電力系統(tǒng)并非易事，通常被視為需要外包而不是“內(nèi)部”處理的專業(yè)學科。然而，借助有據(jù)可查的現(xiàn)成架構(gòu)，即使是非專業(yè)的電源設計人員也可以開發(fā)出領先的解決方案。

在大多數(shù)情況下，拓撲是降壓轉(zhuǎn)換器（通常稱為降壓轉(zhuǎn)換器）。組件選擇是關鍵，特別是對于將決定系統(tǒng)效率和性能的控制器和動力傳動系組件。

隨著電子系統(tǒng)變得更小或在與上一代相同的空間中封裝更高的性能，電源方案的空間通常受到限制。因此，設計人員面臨著提供更小、性能不斷提高的電源解決方案的壓力。因此，制造商被迫以越來越壓縮的時間尺度和盡可能少的“旋轉(zhuǎn)”來發(fā)布產(chǎn)品——最好是單次旋轉(zhuǎn)。

噪聲（或減輕噪聲）對設計師來說仍然是一個持續(xù)的挑戰(zhàn)。通常不可預測（尤其是分立設計），EMI/EMC 是初始設計失敗的最常見原因之一，導致需要重新設計和重新測試電路板——延遲新產(chǎn)品的發(fā)布（和收入） .

簡化 PoL 系統(tǒng)設計 簡化 PoL 設計過程的最簡單方法之一是使用由強大的應用程序文檔支持的現(xiàn)成解決方案。遵循這種方法，設計人員可以利用 PoL 轉(zhuǎn)換器制造商的大量研發(fā)投資?，F(xiàn)成的解決方案還可以允許訪問需要時間從第一原理開發(fā)的附加功能，同時顯著降低從頭開始設計的風險。關鍵是識別和選擇一種“標準”技術，該技術提供足夠的特性、性能和靈活性，使工程師能夠以經(jīng)濟的總解決方案成本為給定的應用配置最佳解決方案。

最佳選項通常為設計人員提供全面的參考設計、應用說明和應用圖表、典型工作波形、建議的組件列表，甚至 PCB 金屬和組件布局圖，為設計人員提供一種交鑰匙設計方法。所有這些都降低了設計風險，加快了開發(fā)時間，并讓設計人員相信解決方案第一次就正確。

這種向下設計提供了經(jīng)濟的解決方案成本，具有高水平的優(yōu)化和集成，可以顯著減少所需的外部組件數(shù)量。這也加快了上市時間并降低了空間需求和成本，因為需要做出的設計決策更少，需要尋找空間、采購、庫存和放置的組件也更少。最終，這導致了一個優(yōu)雅的技術和商業(yè)解決方案。

集成硅解決方案用于電源設計的集成硅解決方案可以追溯到大約 40 年前的 1970 年代中期，當時線性調(diào)節(jié)是正常的方法。此時，開關模式設計還處于起步階段，并為少數(shù)人所理解——主要是在軍事領域。隨著第一個 PWM 控制器的出現(xiàn)，該技術被更多的設計人員使用并滲透到商業(yè)領域，盡管早期的控制器仍然需要用戶的大量設計輸入。隨著時間的推移，越來越多的功能被集成到控制器中，為設計人員帶來了更大的易用性，并為每個人提供了更多高級功能。主要由處理器的苛刻需求和“綠色能源”計劃推動的持續(xù)創(chuàng)新導致了所謂的“智能能源”功能的結(jié)合。通常，控制器具有針對全功率和空載運行進行優(yōu)化的多種運行模式。通過檢測和響應負載的變化，控制器可以確保 PoL 始終以最佳效率運行。

由 PoL 設備供電的負載的性質(zhì)也變得越來越復雜。例如，現(xiàn)代處理器中常見的動態(tài)功率負載對 PoL 提出了新的要求。解決此問題的一種流行技術是恒定導通時間 (CoT)，其中控制 FET 為輸出電容器充電一段固定時間。CoT 技術提供良好的負載和線路瞬態(tài)響應，并且通常不需要外部補償，從而實現(xiàn)更快、更輕松的設計。

許多 PoL 設備現(xiàn)在包含某些關鍵參數(shù)的可編程性，例如輸出電壓。從系統(tǒng)級的角度來看，這提供了簡單性，因為相同的解決方案可用于復雜系統(tǒng)中的多個電壓，只需更改組件值。這導致了規(guī)模經(jīng)濟以及對該特定設計的熟悉度。此外，隨著電壓軌要求的變化，可以以最小的電路變化和最大的信心適應新值。

與效率一起，輸出電壓精度是一個關鍵的設計參數(shù)。這需要在整個溫度范圍內(nèi)非常精確的內(nèi)部參考電壓。每個 PoL 設計都必須具備啟用和電源良好輸出等標準功能。

包括 PoL 在內(nèi)的系統(tǒng)穩(wěn)定性至關重要。隨著今天的負載在本質(zhì)上變得更加動態(tài)和復雜，一個好的設計必須考慮到這種穩(wěn)定性。最先進的 CoT 解決方案的限制之一是使用陶瓷電容器時穩(wěn)定性差。越來越多的現(xiàn)代系統(tǒng)僅使用陶瓷電容器來滿足成本、尺寸和可靠性目標。這種電容器類型具有低等效串聯(lián)電阻 (ESR)，而且紋波信號通常太小，無法讓標準 CoT 拓撲在沒有外部補償?shù)那闆r下正常工作。這通常需要外部紋波注入 (R+C) 和緩沖組件，以確保所有陶瓷電容器的穩(wěn)定性。另一種方法是添加一個內(nèi)部紋波仿真電路來克服這個限制，

保護要求任何系統(tǒng)的最佳衡量標準之一是其可靠性——尤其是在關鍵任務應用程序（例如服務器、通信和存儲）的正常運行時間方面。電力系統(tǒng)是這種可靠性的基本組成部分，為了實現(xiàn)這一點，許多保護功能現(xiàn)在被整合到現(xiàn)代控制器中。電力系統(tǒng)本身不應該發(fā)生故障，但它需要保護系統(tǒng)的其余部分以及自身免受其他地方可能發(fā)生的故障的影響。為了輕松實現(xiàn)這一點，選擇具有過流保護、熱關斷和預偏置啟動等功能的控制器非常重要。特別是，具有多種設置的精確熱補償電流限制對于最小化電感器尺寸和成本至關重要。

硅的發(fā)展硅集成如何支持這一不斷發(fā)展的功能需求的一個例子是 IR MOSFET IPOL (IR3883) 高效 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，如圖2 所示。

圖 2：IR3883 控制器 IC 采用緊湊的 3 x 3-mm QFN 封裝。

這款緊湊、高度集成的器件提供超輕負載效率（包括待機功率）、CoT 操作和可編程性。它可以在寬輸入電壓范圍（2.5 至 14 V）下運行，使其適用于大多數(shù) PoL 低電流應用。它包括可靠 PoL 設計所需的所有功能和故障保護（啟用輸入、電源良好輸出、軟啟動、預偏置啟動、熱關斷）和非常精確的參考電壓 (0.5 V ±0.6%)輸出電壓精度。

這款具有集成 MOSFET 的多功能 PWM 控制器具有 3 x 3 毫米的小尺寸，能夠持續(xù)提供高達 3 A 的電流。它需要絕對最少的外部組件（見圖3），停機時消耗小于 10 μA，空載工作時消耗小于 200 μA，非常適合待機操作。

圖 3：IR3883 應用圖顯示減少的組件數(shù)量。

通過兩種操作模式優(yōu)化效率。在強制連續(xù)導通模式 (FCCM) 中，控制器作為同步降壓轉(zhuǎn)換器運行，具有 800 kHz 的偽恒定開關頻率。在二極管仿真模式 (DEM) 中，同步 FET 在電感電流降至零時關閉，從而提高了輕負載效率。如圖?4所示，超低靜態(tài)電流可確保負載電流低至 10 mA 時的效率，是待機電源軌的理想選擇。

圖 4：在 DEM 中，IR3883 提供出色的低功耗效率——使其非常適合備用電源軌。

具有不同設置的熱補償內(nèi)部過流保護避免了過度設計電感飽和點的需要，從而允許選擇更小、更便宜的電感。強制連續(xù)電流模式的選項允許頻率降低可能成為諧波、拍頻和干擾問題的應用，例如多軌系統(tǒng)和通信應用。

專有的 CoT 引擎可通過陶瓷電容器保持穩(wěn)定。無需外部補償，因此可以指定小型且低成本的 MLCC 電容器。能夠容忍電容的廣泛變化提供了更高的魯棒性，而專有的內(nèi)部斜坡補償進一步降低了紋波，并允許電壓前饋在寬輸入電壓范圍內(nèi)保持環(huán)路響應。這確保了在各種操作條件下的穩(wěn)定性，并且無需復雜的交流分析或波特圖。

IR3883 的引腳分配和占位面積也根據(jù)元件布局進行了優(yōu)化，以便于布局和低噪聲（見圖5）。例如，電源接地和電源輸入電壓引腳彼此相鄰，以允許完美放置輸入電容器以實現(xiàn)最大輸入濾波。這簡化了“完全全面”的簡單方法的布局。

圖 5：IR3883 顯示了優(yōu)化的封裝和引腳布局，以便于布局和通過傳遞輸入電容。

分布式電源架構(gòu)自然適用于大型系統(tǒng)，并且非常廣泛地用于服務器、存儲、通信和消費類應用——在這些領域，整體系統(tǒng)效率至關重要，并且通常是制造商的競爭優(yōu)勢。此外，DPA/PoL 架構(gòu)越來越多地用于工業(yè)設備和電信系統(tǒng)，其中增強彈性和效率的優(yōu)勢也受到重視。在所有這些領域，高集成度控制器的可用性簡化了設計并加快了上市時間，同時在任何負載水平上實現(xiàn)了效率目標。

審核編輯 黃昊宇