滿(mǎn)足可靠性要求的新一代DC-DC電源模塊

1、滿(mǎn)足可靠性要求的新一代DC-DC電源模塊摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫(kù)仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte今天，許多電信、數(shù)據(jù)通信、電子數(shù)據(jù)處理和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都采用分布式電源架構(gòu)供電。這些復(fù)雜系統(tǒng)需要電源管理解決方案來(lái)監(jiān)控和精確控

2、制電源。為了實(shí)現(xiàn)這一性能水平，大多數(shù)設(shè)計(jì)利用一個(gè)FPGA、微處理器、微控制器或存儲(chǔ)器塊。這個(gè)水平的設(shè)計(jì)先進(jìn)性對(duì)服務(wù)這些通信基礎(chǔ)設(shè)施公司的應(yīng)用設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)。他們的選擇很簡(jiǎn)單：要么在相當(dāng)大程度上投資改善他們的自主電源管理熟練程度，要么依賴(lài)于在設(shè)計(jì)公司以外的專(zhuān)長(zhǎng)。這些選擇沒(méi)有一個(gè)是特別理想的。負(fù)載點(diǎn)DC-DC電源模塊有哪些優(yōu)點(diǎn)？近來(lái)，一個(gè)新的選擇出現(xiàn)了：負(fù)載點(diǎn)DC-DC電源模塊。這些模塊結(jié)合了大多數(shù)或提供即插即用解決方案必要的所有元件，從而可能取代多達(dá)40個(gè)不同的元件。這種集成可簡(jiǎn)化和加速設(shè)計(jì)，同時(shí)減小功率管理占位面積。顧名思義，這些電源模塊放在接近其供電的電路的印刷電路板，這有助于穩(wěn)壓

3、。這種布局的重要性是增加了子系統(tǒng)在更大電流、更低電壓和更高的時(shí)鐘頻率下工作的你能力。從這些模塊得到你需要的性能同時(shí)保持在你的預(yù)算和空間要求之內(nèi)的關(guān)鍵因素是需要一家公司掌握不同的可用技術(shù)。為什么不使用一個(gè)開(kāi)放的框架或內(nèi)嵌DC-DC電源模塊？大多數(shù)傳統(tǒng)和普通的非隔離式DC-DC電源模塊仍然是一個(gè)內(nèi)嵌封裝（SIP）；見(jiàn)圖1。這些開(kāi)放結(jié)構(gòu)解決方案的確是在最大限度地縮減設(shè)計(jì)復(fù)雜性方面的進(jìn)展。不過(guò)，可在一個(gè)印刷電路板上最簡(jiǎn)單地采用標(biāo)準(zhǔn)封裝元件。它們通常是較低頻率的設(shè)計(jì)（大約300kHz），其功率密度不如預(yù)期。因此，它們的尺寸使其成為了許多空間受限的應(yīng)用的糟糕選擇。新一代電源模塊需要在減小尺寸以改善設(shè)計(jì)靈活

4、性方面取得顯著進(jìn)步。圖1. 傳統(tǒng)的SIP開(kāi)放結(jié)構(gòu)模塊。哪些類(lèi)型穩(wěn)壓器通常用于負(fù)載點(diǎn)解決方案？大多數(shù)負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器是非隔離式降壓穩(wěn)壓器。它們通過(guò)采用同步整流爭(zhēng)取得到高轉(zhuǎn)換效率。尺寸是一個(gè)中心問(wèn)題，同時(shí)還要優(yōu)化高效和熱管理。為什么尺寸是一個(gè)中心問(wèn)題？這些是處理相當(dāng)大的電流的電源管理器件。效率決定了必要的熱管理的類(lèi)型。許多較大的模塊要求散熱器和系統(tǒng)風(fēng)扇。內(nèi)置的風(fēng)扇增加了維護(hù)成本，因?yàn)轱L(fēng)扇增加了系統(tǒng)尖垢，而且可能粘住自己。如果功率管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)無(wú)需直接氣流，可靠性和維護(hù)成本就會(huì)減少。要減電源模塊的小尺寸必須做出哪些改變？為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員需要的更高的功率密度，電源管理供應(yīng)商必須提高開(kāi)關(guān)頻率,以減小儲(chǔ)能單元

5、的尺寸。不過(guò)，由于MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗，利用標(biāo)準(zhǔn)元件增加開(kāi)關(guān)頻率，產(chǎn)出效率較低。這迫使業(yè)界尋找減少DC-DC模塊中MOSFET驅(qū)動(dòng)和電源路徑寄生阻抗的經(jīng)濟(jì)有效的方法，生產(chǎn)出尺寸大約為一個(gè)集成電路的模塑模塊。采用散熱器和強(qiáng)迫通風(fēng)可以改進(jìn)多少性能？電源模塊中的熱疲勞現(xiàn)象是由功率轉(zhuǎn)換的低效率及有限的散熱可用空間引起的。這可能最終增加溫升速度并因此縮短產(chǎn)品的使用期限。為了最大限度地減少溫度對(duì)平均故障時(shí)間（MTBF）的影響，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該根據(jù)模塊的功率損耗，考慮散熱器、有效的氣流和降額曲線。圖2. 典型降額功率損耗曲線。為什么圖2中的總功耗損失曲線覆蓋了這樣寬的溫度范圍？在許多應(yīng)用中，電源模塊要求在

6、富有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中運(yùn)行。在比較一個(gè)模塊的功率能力時(shí)，電氣能力的分析不應(yīng)該只限于25，而且還要考慮系統(tǒng)環(huán)境溫度、氣流和遠(yuǎn)離模塊的熱傳導(dǎo)方法。例如，用在旨在Intersil的ISL820xM系列的QFN封裝可以提供通過(guò)PCB的最佳熱傳導(dǎo)，所以模塊下面的大面積銅板將改進(jìn)總功率性能。為什么出現(xiàn)溫度失控？溫度失控是造成一次主要故障的另一個(gè)現(xiàn)象。它通常是由焊點(diǎn)裂縫引起的。如果模塊受到機(jī)械振動(dòng)或若干次溫度循環(huán)驟變，焊點(diǎn)就可能出現(xiàn)裂縫，最終可能使元件與底層脫離。這將造成電阻的增加，進(jìn)而可增加溫度壓力。在周期達(dá)到線剪切模式并導(dǎo)致災(zāi)難性故障之前，這些事件可能重復(fù)下去。在ISL8201M中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可得到經(jīng)可靠

7、性基準(zhǔn)廣泛認(rèn)證和測(cè)試的解決方案。單個(gè)IC解決方案是否可用？Intersil的ISL8201M模塊集成了完整DC-DC轉(zhuǎn)換器所需的大多數(shù)元件，包括PWM控制器、MOSFET和電感器。其輸入電壓范圍是3-20V，具有10A電流能力。它無(wú)需MOSFET封裝，可以實(shí)現(xiàn)比高效率和散熱性能的傳統(tǒng)SIP DC-DC模塊更高的開(kāi)關(guān)頻率，而且采用了緊湊的15153.5mm QFN封裝的組合封裝（見(jiàn)圖3）。ISL8201M是正在開(kāi)發(fā)的進(jìn)一步改進(jìn)尺寸和性能的系列模塊第一款產(chǎn)品。圖3. ISL8201M概念封裝圖。我能預(yù)期從ISL8201M DC-DC模塊得到什么樣的效率？ISL8201M可以實(shí)現(xiàn)效率方面非常好的性能

8、。在寬電壓范圍（1.2V至5V）條件下，對(duì)于負(fù)載電流高于1.5A，可以預(yù)期大于80%的效率，見(jiàn)圖4。在更高電壓范圍（3.3V至5V），以及電壓低至2.5V的適中負(fù)載電流的預(yù)期效率可增加到90%。一個(gè)有趣的點(diǎn)在右上方：ISL8201M可在5V實(shí)現(xiàn)10A，效率超過(guò)90%。曲線的平滑度證實(shí)了負(fù)載調(diào)節(jié)的高質(zhì)量。此外，QFN封裝極佳的散熱性能有助于實(shí)現(xiàn)非常緊湊的設(shè)計(jì)，而無(wú)需使用散熱器。這將有助于元件實(shí)現(xiàn)大約200W/in3的功率密度，大約為傳統(tǒng)開(kāi)放式模塊的4倍。圖4. ISL8201M效率曲線（Vin = 12V）。是否ISL8201M的參考電路圖比較復(fù)雜？圖5所示為輸入電壓+5V或+12V的ISL82

9、01M原理圖。圖的左側(cè)為電源引腳和輸入電壓的共享連接。分開(kāi)這兩個(gè)引腳也可以接受，如右側(cè)所示。外部元件選擇主要是由最大負(fù)載電流和輸入/輸出電壓決定的。(a)(b)圖5. 典型原理圖（a）單電源，（b）獨(dú)立電源怎樣選擇輸入電容？輸入電容為穩(wěn)壓器提供一好低阻抗輸入。輸入濾波電容器的大小需要根據(jù)DC輸入線路上能夠容許多少紋波電源。電容器越大，預(yù)期的紋波越少，因?yàn)槠骷懈蟮某潆姶鎯?chǔ)能力。不過(guò)，應(yīng)該考慮上電期間更高的浪涌電流。ISL8201M提供了軟啟動(dòng)功能，可以控制和限制電流浪涌。輸入電容器的值可以由這個(gè)方程求出：IINx DtDVCIN=. -其中：CIN是輸入電容（F）IIN是輸入電流（A）t是高

10、側(cè)開(kāi)關(guān)（s）的導(dǎo)通時(shí)間V是容許峰間電壓（V）除了大容量電容器，可以使用某種低等效串聯(lián)電感（ESL）陶瓷電容對(duì)高側(cè)MOSFET的漏極和低側(cè)MOSFET的源極之間進(jìn)行去耦。這可用來(lái)減少由寄生電路元件上的開(kāi)關(guān)電流引起的的電壓振鈴。POR和OCP是什么？上電復(fù)位（POR）功能可連續(xù)監(jiān)控PVCC引腳的偏置電壓。當(dāng)加電時(shí)，在一個(gè)閾值被超過(guò)（4V標(biāo)稱(chēng)值）之前，POR電路可延遲所有操作。當(dāng)這個(gè)閾值被超過(guò)，POR功能開(kāi)始過(guò)流保護(hù)采樣（OCP）和控制操作（當(dāng)COMP/EN約為1V時(shí)）。當(dāng)采樣完成后，VOUT開(kāi)始軟啟動(dòng)斜升。過(guò)流功能可防止轉(zhuǎn)換器受到采用低側(cè)MOSFET通態(tài)電阻（RDS（ON）的短路輸出通過(guò)的影響，以

11、監(jiān)控電流。一個(gè)電阻器（RSEN）可以對(duì)過(guò)流切斷電平編程。這種方法可提高轉(zhuǎn)換器效率，通過(guò)取消一個(gè)電流檢測(cè)電阻器降低成本。如果發(fā)現(xiàn)了過(guò)流，輸出立即會(huì)關(guān)閉。它可在斷續(xù)模式下循環(huán)軟啟動(dòng)功能（2個(gè)假軟啟動(dòng)暫停，1個(gè)真軟啟動(dòng)暫停），以提供故障保護(hù)。如果短路條件沒(méi)有消除，這個(gè)循環(huán)將無(wú)限地持續(xù)下去。怎樣使自啟動(dòng)功能工作？在功能上，在6.8ms標(biāo)稱(chēng)值內(nèi)，內(nèi)部軟啟動(dòng)可提高從0V至0.6V誤差放大器的非反相端基準(zhǔn)。該輸出電壓因此將在同樣的6.8ms內(nèi)跟著上升，從零至終值。該斜率是數(shù)字創(chuàng)建的，所以將出現(xiàn)64個(gè)小的不連續(xù)階躍。沒(méi)有簡(jiǎn)單方法可以在外部改變這個(gè)斜率。在一個(gè)初始周期之后，誤差放大器（COMP/EN引腳）將激活

12、，開(kāi)始在軟啟動(dòng)期間調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。振蕩器的三角波形可以與斜率誤差放大器電壓相媲美。這將產(chǎn)生增加寬度的階段脈沖，為輸出電容器充電。當(dāng)內(nèi)部產(chǎn)生的軟啟動(dòng)電壓超過(guò)基準(zhǔn)電壓（0.6V）時(shí)，軟啟動(dòng)完成，而輸出應(yīng)該調(diào)節(jié)在預(yù)期電壓。這種方法提供了一種迅速和經(jīng)控制的輸出電壓上升；沒(méi)有充電輸出電容器的大浪涌電流。在軟啟動(dòng)斜率電壓超過(guò)輸出之前，沒(méi)有一個(gè)內(nèi)置MOSFET會(huì)導(dǎo)通；因此，VOUT開(kāi)始無(wú)縫斜升。如果輸出預(yù)偏置到一個(gè)高于預(yù)期值的電壓，在結(jié)束軟啟動(dòng)之前，沒(méi)有一個(gè)MOSFET會(huì)導(dǎo)通，這時(shí)它才將把輸出電壓拉低至終值。任何連接至輸出的電阻性負(fù)載將有助于下拉電壓（以負(fù)載的R和輸出電容的C的RC速率）。應(yīng)該用什么指

13、導(dǎo)選擇輸出電容器的決定？輸出電容器有助于穩(wěn)定固定頻率操作，同時(shí)提供一個(gè)阻尼輸出響應(yīng)來(lái)改變階躍負(fù)載。ISL8201M適用于低輸出電壓紋波。選擇的大容量輸出電容器（COUT）具有足夠低的等效串聯(lián)電阻（ESR），可滿(mǎn)足輸出電壓紋波和瞬態(tài)要求。COUT可以是一個(gè)低ESR鉭電容器、一個(gè)低ESR聚合物電容器或一個(gè)陶瓷電容器。典型電容是330F，并使用去耦陶瓷輸出電容器。內(nèi)部?jī)?yōu)化的環(huán)路補(bǔ)償可為所有陶瓷電容器應(yīng)用提供足夠的穩(wěn)定性裕量。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可能需要其他輸出濾波，如果輸出紋波進(jìn)一步減少，就需要高頻開(kāi)關(guān)噪聲或動(dòng)態(tài)瞬變尖峰。怎樣才能編程輸出電壓？ISL8201M有一個(gè)內(nèi)部0.6V1.5%的基準(zhǔn)電壓。編程輸出電

14、壓需要一個(gè)分流電阻器（RFB），見(jiàn)圖5。輸出電壓則可如所示求出：9.76kRFBVOUT= 0.6 x （1 +. -）注：ISL8201M的模塊（用于頂部分流電阻器）中有集成的9.76k電阻。電阻有關(guān)的不同輸出電壓如下：表1. 設(shè)置輸出電壓的反饋電阻值。VOUT0.6V1.05V1.2V1.5V1.8V2.5V3.3V5VRFB開(kāi)路13k9.76k6.49k4.87k3.09k2.16k1.33kISL8201M的開(kāi)關(guān)頻率是多少？開(kāi)關(guān)頻率是一個(gè)600kHz固定時(shí)鐘，它是由內(nèi)部振蕩器決定的。影響電源模塊可靠性的是什么問(wèn)題？我們此前討論了談到了使用風(fēng)扇伴隨的可靠性問(wèn)題。我們現(xiàn)在將討論電源模塊本身

15、的可靠性。由于共同封裝元件的數(shù)目和高功率密度的熱疲勞現(xiàn)象，以及連接機(jī)構(gòu)故障，當(dāng)處理電源模塊時(shí)，可靠性問(wèn)題非常重要。電氣系統(tǒng)和元件的故障率呈浴缸曲線形狀（見(jiàn)圖6）。從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換的該曲線的陡峭和銳度取決于所用元件的選擇、這些元件的額定值及其與模塊中其余元件的兼容性。例如，在一個(gè)具有20V輸入的DC-DC模塊中使用30V MOSFET是可以接受的，只要仔細(xì)選擇驅(qū)動(dòng)器、肖特基二極管和緩沖電路就可以了。圖6. 生命周期故障率。由于似乎缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試條件，在評(píng)價(jià)一個(gè)電源解決方案的效率時(shí)應(yīng)考慮什么？當(dāng)比較效率時(shí)，要確?？紤]到輸入電壓、輸出電壓和電流水平，在這方面對(duì)效率進(jìn)行比較。瞬態(tài)響應(yīng)是另一個(gè)需要一些分析的參數(shù)，以獲得一個(gè)有效的比較。你需要確保輸入和輸出電壓相同，輸出電容器有相