最新的 dc/dc 控制器與 NexFET 功率 MOSFET 的組合可以提高電源效率

效率是一個(gè)熱門(mén)話題，因?yàn)榭蛻魧?duì)該主題越來(lái)越敏感

全球能源價(jià)格的上漲以及與電子產(chǎn)品相關(guān)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的增加正在成為設(shè)備和/或消費(fèi)品采購(gòu)決策的重要組成部分。因此，研發(fā)工程師一直在尋找降低產(chǎn)品功耗的方法。過(guò)去，這主要適用于電池供電的應(yīng)用，因?yàn)樾蕰?huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間。然而，這種趨勢(shì)近年來(lái)已經(jīng)擴(kuò)大到包括許多離線供電的消費(fèi)品?！熬G色”已從“流行語(yǔ)”轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)今電源解決方案需要解決的市場(chǎng)趨勢(shì)。大多數(shù)人都在尋找架構(gòu)變化或低功耗技術(shù)，以逐步提高系統(tǒng)效率，同時(shí)保持或提高性能水平。在本文中，我們將研究 DC/DC 控制器與最新一代 NexFET 功率 MOSFET 的結(jié)合，以通過(guò)附加功能來(lái)解決更高效率方面的問(wèn)題，從而提高整體性能。

市場(chǎng)上有許多非隔離式 DC/DC 控制器可以從 3.3 V、5 V 或 12 V 電源軌轉(zhuǎn)換為處理器內(nèi)核電壓。過(guò)去運(yùn)行良好的現(xiàn)有解決方案可能無(wú)法滿足當(dāng)今高性能處理器的要求。隨著進(jìn)一步集成和提高性能，處理器內(nèi)核電壓開(kāi)始下降到 1 V 以下，而其電流消耗增加到數(shù)安培。這些工藝技術(shù)的進(jìn)步必須與現(xiàn)成的負(fù)載點(diǎn)解決方案相匹配。我們將更詳細(xì)地解決這些挑戰(zhàn)，以展示最新控制器和 MOSFET 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。這些先進(jìn)的產(chǎn)品能夠支持陶瓷大容量、旁路和濾波電容器、浪涌電流、主動(dòng) EMI 降低以通過(guò) FCC 批準(zhǔn)規(guī)范，嚴(yán)格的電壓調(diào)節(jié)精度，最后但并非最不重要的是，在啟動(dòng)期間支持預(yù)充電電容器組。同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率、小尺寸和更高的可靠性。

下一代控制器技術(shù)

TPS4030x 系列等 DC/DC 控制器經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可提高效率并包含當(dāng)今多軌處理器所需的高級(jí)功能。TPS4030x 系列具有強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)器，可快速切換外部 MOSFET 并縮短死區(qū)時(shí)間，從而在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率。帶有集成二極管的自舉電路還允許使用低 R DS(ON) N 溝道 MOSFET 作為高端開(kāi)關(guān)。TPS4030x 系列同步降壓控制器在 3 至 20 V 輸入范圍內(nèi)工作，支持 3.3 V、5 V 和 12 V 的中間總線電壓。這些控制器實(shí)施電壓模式控制架構(gòu)。頻率擴(kuò)展頻譜 (FSS) 功能為開(kāi)關(guān)頻率增加了抖動(dòng)，從而顯著降低了峰值 EMI 噪聲并使其更容易符合 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。

這些控制器通過(guò)各種用戶可編程功能提供設(shè)計(jì)靈活性，包括軟啟動(dòng)(電容器連接 EN/SS 引腳)、過(guò)流保護(hù) (OCP) 電平(電阻連接到 LDRV/OC 引腳)和環(huán)路補(bǔ)償。在正常操作期間，將電阻器編程的 OCP 電壓電平與導(dǎo)通低側(cè) MOSFET 上的電壓降進(jìn)行比較，以確定是否存在過(guò)流情況?？刂破鬟M(jìn)入重新啟動(dòng)打嗝模式，直到故障消除。

EMI 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS) 電源轉(zhuǎn)換的所有優(yōu)點(diǎn)的潛在負(fù)面因素是電源脈沖的高 dv/dt 和 di/dt 產(chǎn)生的噪聲。當(dāng)用于減輕 EMI 產(chǎn)生的傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法提供必要的噪聲容限時(shí)，頻率擴(kuò)展頻譜 (FSS) 的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)所需的能量降低。例如，當(dāng)使用 TPS40303x 系列時(shí)，可以通過(guò)在 BP 和 EN/SS 引腳之間連接一個(gè)阻值為 267 kΩ ±10% 的電阻器來(lái)啟用 FSS 功能。啟用后，它使用具有三角形輪廓的 25 kHz 調(diào)制頻率將內(nèi)部振蕩器頻率擴(kuò)展到至少 12% 的窗口。通過(guò)調(diào)制開(kāi)關(guān)頻率，產(chǎn)生邊帶?；鹃_(kāi)關(guān)頻率及其諧波的發(fā)射功率分布成分散在許多邊帶頻率周?chē)妮^小部分。該效果顯著降低了峰值 EMI 噪聲，并使合成的發(fā)射頻譜更容易通過(guò) EMI 法規(guī)。通過(guò)啟用此功能，可以在較高頻率下將 EMI 能量降低多達(dá) 10 dB。

排序和預(yù)偏置啟動(dòng)

大多數(shù)處理器制造商都為內(nèi)核和 I/O 上電排序提供時(shí)序指南。一旦了解了系統(tǒng)的時(shí)序要求，就可以選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)。有幾種不同的方法可以為多軌電源供電和斷電;順序、比例或同時(shí)測(cè)序。此外，許多應(yīng)用程序需要支持預(yù)偏置啟動(dòng)。

當(dāng)內(nèi)核電壓和 I/O 電壓上電所需的時(shí)間間隔很短時(shí)，可以執(zhí)行排序。這可以是任何順序。使用 TPS4030x 執(zhí)行此操作的最簡(jiǎn)單方法是將一個(gè)控制器的 PGOOD 引腳連接到另一個(gè)控制器的 EN/SS 引腳。

要實(shí)現(xiàn)比率排序，只需將兩個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換器的 EN/SS 引腳連接在一起即可。這種簡(jiǎn)單的技術(shù)允許通過(guò)多個(gè)電流源向一個(gè)通用軟啟動(dòng)電容器充電。這樣，所有控制器都使用相同的斜坡并同時(shí)達(dá)到調(diào)節(jié)。

在需要預(yù)偏置的系統(tǒng)中，可以在芯電壓打開(kāi)之前施加I/O電壓，并且在芯和I/O電壓之間必須存在最小增量。圖3顯示了一個(gè)預(yù)偏置啟動(dòng)波形的示例。在這種情況下，處理器的制造商建議二極管在核心電壓通電之前對(duì)核心電壓進(jìn)行預(yù)偏置。這保持了核心和I/O電壓之間的最小增量。使用同步降壓 dc/dc 轉(zhuǎn)換器時(shí)，請(qǐng)確保低端 MOSFET 在啟動(dòng)期間保持關(guān)閉，否則已經(jīng)施加到內(nèi)核的偏置電壓將在 dc/dc 轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)時(shí)下降到地。這可能會(huì)損壞外部旁路二極管。當(dāng)內(nèi)核的轉(zhuǎn)換器開(kāi)啟時(shí)，內(nèi)核電壓應(yīng)從偏置電壓上升到所需的電壓電平。

當(dāng)然，當(dāng)電容器組在短路電源故障期間保持預(yù)充電時(shí)，也會(huì)發(fā)生相同的情況。在多軌系統(tǒng)中，這會(huì)對(duì)多軌處理器的 ESD 結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p壞。因此，推薦的做法是使用支持預(yù)偏置的控制器，其中同步 MOSFET 在啟動(dòng)期間將被禁用，如果電路需要，則依靠 FET 的體二極管來(lái)維持電流流動(dòng)。

NexFET 功率 MOSFET 達(dá)到新的性能水平

在 1980 年代，平面技術(shù)是 MOSFET 制造商使用的主要結(jié)構(gòu)。到 1990 年代后期，大多數(shù)制造商轉(zhuǎn)向溝槽結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗谔囟▽?dǎo)通電阻方面的固有優(yōu)勢(shì)。普遍的想法是低 R DS(ON) 允許設(shè)計(jì)人員在其負(fù)載點(diǎn) (POL) 應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高電流密度。然而，溝槽結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是在柵極和漏極(米勒電容)以及柵極和源極之間產(chǎn)生的高電容。這些大電容意味著需要大量電荷來(lái)切換設(shè)備。這會(huì)在開(kāi)關(guān)期間在控制器的驅(qū)動(dòng)器電路和 MOSFET 器件中產(chǎn)生很大的損耗。因此，設(shè)計(jì)人員不愿提高開(kāi)關(guān)頻率并犧牲設(shè)計(jì)效率。

2007 年，NexFET 功率 MOSFET 被商業(yè)化推出。與 TrenchNET 結(jié)構(gòu)相比，NexFET 結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)類(lèi)似的特定導(dǎo)通電阻，但顯著降低了相關(guān)電容。這導(dǎo)致 R DS(ON) x Q g 和 R DS(ON) x Q gd中現(xiàn)有技術(shù)的品質(zhì)因數(shù) (FOM) 約為現(xiàn)有技術(shù)的 50% 。改進(jìn)的 FOM 允許 NexFET 技術(shù)在給定頻率下實(shí)現(xiàn)更高的效率。該技術(shù)還使功率損耗曲線變平，以實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率和功率密度的改進(jìn)。

令人信服的結(jié)果

最新的 dc/dc 控制器與 NexFET 功率 MOSFET 的組合可以實(shí)現(xiàn)世界一流的性能，同時(shí)提供多軌處理器所需的高級(jí)功能。該電路在 20 安培電流下的效率超過(guò) 90%，輸出開(kāi)關(guān)頻率為 600 kHz。由于控制器和 NexFET 提供的低開(kāi)關(guān)損耗，整個(gè)負(fù)載線的效率是平坦的。即使將輸入電壓從 3.3 V 增加到 12 V 軌，也能保持高性能。通常在 12 V 時(shí)，輕負(fù)載效率低于 5 安培時(shí)要低得多。NexFET 技術(shù)降低了開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)較高電壓的相關(guān)損失。