深圳pcb抄板嵌入式DC-DC转换器要求和功率级选择问题

    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。

    其中包括三大要求：

    （1）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）；

    （2）其次，电源电流逐渐变大；

    （3）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。电路板克隆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，深圳pcb抄板可与分立式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