集成式DC-DC轉(zhuǎn)換器可節(jié)省分布式電源系統(tǒng)的空間和設(shè)計(jì)時間

傳統(tǒng)的分布式電源架構(gòu)采用多個隔離式 DC-DC 電源模塊將 48V 總線電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)電源電壓軌，例如 5V、3.3V 和 2.5V。然而，這種配置難以滿足快速、低壓處理器、DSP、ASIC 和 DDR 存儲器的負(fù)載要求。此類器件對電源提出了嚴(yán)格的要求：極快的瞬態(tài)響應(yīng)、高效率、更低的電壓軌和更小的占位面積。

介紹

通過使用單個隔離式高功率DC-DC模塊將48V轉(zhuǎn)換為12V或更低的中間電源軌，可以獲得更高的性能。然后將中間電壓轉(zhuǎn)換為特定負(fù)載所需的系統(tǒng)電壓。這種電壓轉(zhuǎn)換可以通過非隔離的負(fù)載點(diǎn)電源實(shí)現(xiàn)，如圖1右側(cè)所示。集成開關(guān)穩(wěn)壓器非常適合第二級電源轉(zhuǎn)換，因?yàn)樗璧妮斎腚妷海ā?2V）和輸出電流（<10A）都相對較低。

圖1.與傳統(tǒng)的電信板配電架構(gòu)（左側(cè)）相比，集成開關(guān)穩(wěn)壓器架構(gòu)（右側(cè)）具有更高的效率和可靠性、更快的設(shè)計(jì)速度和更小的占位面積。

集成開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)勢

電子業(yè)務(wù)的許多領(lǐng)域，包括電力電子行業(yè)，都采用集成系統(tǒng)組件的策略，以降低總體成本，增強(qiáng)可靠性，并最大限度地減少印刷電路板上的寶貴空間。在過去的二十年中，電源管理IC制造商在生產(chǎn)集成隔離和非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換應(yīng)用電源所需的許多功能塊的器件方面做了大量工作。

集成開關(guān)穩(wěn)壓器將 DC-DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器的 MOSFET、柵極驅(qū)動器和 PWM 控制器集成在單個封裝中，這并不是一個新概念。新的是此類設(shè)備現(xiàn)在提供的增強(qiáng)的電流能力和增強(qiáng)的功能。它們非常適合現(xiàn)代電信板的分布式電源要求，這些要求需要緊湊的多負(fù)載點(diǎn)電源，以提供對動態(tài)負(fù)載的出色瞬態(tài)響應(yīng)。

電信系統(tǒng)板電源的設(shè)計(jì)、開發(fā)和測試是該板開發(fā)時間的重要組成部分。除了PCB布局所需的時間外，電源開發(fā)的主要部分還包括解決與布局相關(guān)的問題。這些問題包括功率級布局不當(dāng)、接地方案不正確、在承載快速變化電流和電壓的電源走線附近布線敏感的模擬走線、無法為電壓和電流檢測提供開爾文連接、EMI 過高以及去耦電容器的位置。這些問題中的大多數(shù)可以追溯到在實(shí)施包含多個分立外部組件的電源時，布局錯誤的可能性更高。

相比之下，集成開關(guān)穩(wěn)壓器通過在器件內(nèi)集成功率級（MOSFET和柵極驅(qū)動器）和電流檢測來消除多個PCB互連，從而避免了許多布局問題。此外，集成開關(guān)穩(wěn)壓器的引腳配置旨在避免有關(guān)元件位置和接地的問題。集成開關(guān)穩(wěn)壓器通常具有緊湊、優(yōu)化和經(jīng)過測試的 PCB 布局，可縮短設(shè)計(jì)周期并縮短上市時間。

由于現(xiàn)代電信系統(tǒng)的環(huán)境要求更高的性能以及更小的尺寸和更少的占地面積，因此PCB空間越來越有價值。除了通過集成功率級和PWM控制器節(jié)省空間外，集成開關(guān)穩(wěn)壓器還可以在比分立元件替代方案更高的頻率下工作，從而節(jié)省PCB面積。較高的開關(guān)頻率允許物理上更小的輸入/輸出電容器、電感器和其他濾波元件。更高頻率的操作還通過支持更高帶寬控制環(huán)路的設(shè)計(jì)產(chǎn)生更快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

電源轉(zhuǎn)換效率是衡量電源性能的重要指標(biāo)，也是使用開關(guān)電源而不是線性電源的主要動機(jī)。盡管開關(guān)穩(wěn)壓器的噪聲和EMI水平較高，但情況確實(shí)如此。開關(guān)穩(wěn)壓器中的功耗由傳導(dǎo)損耗組成，導(dǎo)通損耗與MOSFET的導(dǎo)通狀態(tài)電阻（RDS（ON）），以及開關(guān)損耗，這與 MOSFET 在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的速度有關(guān)。在較高的工作頻率下，開關(guān)損耗占主導(dǎo)地位，因?yàn)镸OSFET開關(guān)轉(zhuǎn)換每秒發(fā)生更多次。轉(zhuǎn)換時間主要由打開和關(guān)閉MOSFET的柵極驅(qū)動電路中的阻抗決定。對于具有分立式MOSFET和柵極驅(qū)動器的電源，由于MOSFET引線電感和PC走線電感等寄生元件，柵極驅(qū)動阻抗在高頻下更大。然而，集成開關(guān)穩(wěn)壓器通過將柵極驅(qū)動器和MOSFET組合在一個封裝中，最大限度地減少了這些寄生元件，從而在高頻下提供更快的轉(zhuǎn)換時間和更高的效率。

熱管理是大型系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的考慮因素之一。在負(fù)載點(diǎn)架構(gòu)中，功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱量分布在集成開關(guān)穩(wěn)壓器之間，而不是集中在一個電源模塊中。集成開關(guān)穩(wěn)壓器的更高效率進(jìn)一步減少了熱量的產(chǎn)生。此外，集成開關(guān)穩(wěn)壓器通常采用帶有裸露金屬“焊盤”的熱增強(qiáng)型封裝，這些“焊盤”直接焊接到PCB上，并允許熱通孔（直徑為8至12 mil）將熱量傳遞到內(nèi)部接地層。（接地層通過將熱量擴(kuò)散到電路板中來消除笨重的散熱器。最后，直接耦合到集成電源開關(guān)的熱關(guān)斷電路可保護(hù)器件在發(fā)生熱失控時免受災(zāi)難性故障的影響，從而提高系統(tǒng)可靠性。

集成開關(guān)穩(wěn)壓器具有多種封裝選項(xiàng)和寬輸入電壓范圍（3V 至 12V）和輸出電流（< 1A 至 10A）。低功耗版本采用 SOT、MSOP 和 TSSOP 等封裝。高功率版本使用 QFN 和 BGA 等封裝，可提供更高的功耗。

結(jié)論

集成開關(guān)穩(wěn)壓器是現(xiàn)代電信系統(tǒng)中間總線電源架構(gòu)的理想選擇。與基于分立式MOSFET、柵極驅(qū)動器和控制器的穩(wěn)壓器相比，它們的使用縮短了上市時間，節(jié)省了空間，提高了效率，簡化了熱管理，并產(chǎn)生了更好的可靠性。

審核編輯：郭婷