比較可堆疊 DCDC 降壓轉(zhuǎn)換器和多相控制器的功率密度

TI 比較了可堆疊 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器和多相控制器的功率密度，著眼于尺寸、散熱、效率和成本。

鑒于能夠有效支持大于 30 A 輸出電流的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器數(shù)量有限，設(shè)計工程師主要依靠帶有外部場效應(yīng)晶體管 (FET) 的多相降壓控制器來實現(xiàn)大電流應(yīng)用。

具有集成金屬氧化物半導體 FET (MOSFET) 的新型負載點 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器可以在與多個轉(zhuǎn)換器互連時實現(xiàn)高輸出電流，也稱為堆疊。堆疊轉(zhuǎn)換器使設(shè)計人員能夠在大電流應(yīng)用中利用 FET 集成的優(yōu)勢。

在本文中，我將使用WEBENCH 電源設(shè)計器來比較一個設(shè)計 — 使用德州儀器 (TI) 雙相TPS40425 DC/DC 控制器和外部功率級 — 第二個設(shè)計使用兩個 40-A TPS546D24A堆疊集成FET DC/DC 轉(zhuǎn)換器，同樣來自 TI。WEBENCH Power Designer 是一個端到端的在線設(shè)計工具，可以根據(jù)用戶的要求創(chuàng)建定制的電源電路。

本文中引用的所有設(shè)計以及從所述設(shè)計中收集的數(shù)據(jù)都將從 WEBENCH 工具中收集?；诳刂破骱突谵D(zhuǎn)換器的設(shè)計都具有相同的輸入電壓 (12 V)、輸出電壓 (1 V)、開關(guān)頻率 (550 kHz) 和輸出電流 (50 A)。我將比較最終的尺寸、散熱、效率和成本;討論兩種設(shè)備類型的優(yōu)點;并強調(diào)為什么一種設(shè)計架構(gòu)可能在某些設(shè)計場景中具有優(yōu)勢。

功率密度

功率密度定義為每單位體積的功率輸出量度。對于希望創(chuàng)建能夠在更小區(qū)域內(nèi)提供更高電流的設(shè)計的工程師來說，更高的功率密度非常有價值。為了比較面積，WEBENCH Power Designer 工具的尺寸優(yōu)化設(shè)置適用于兩種設(shè)計。WEBENCH 將設(shè)計區(qū)域定義為集成電路 (IC)、所有外部組件以及組件的所有必要禁止區(qū)域的占位面積之和。當優(yōu)先考慮最小面積和高功率密度時，可堆疊降壓轉(zhuǎn)換器比多相降壓控制器具有明顯優(yōu)勢。

例如，TPS40425 控制器設(shè)計產(chǎn)生的總面積為 916 mm 2，而兩個堆疊 TPS546D24A 轉(zhuǎn)換器的相同優(yōu)化設(shè)置產(chǎn)生的總面積為 802 mm 2。這 14.2% 的面積減少是因為兩個轉(zhuǎn)換器都集成了 MOSFET。在控制器設(shè)計中，兩個外部功率級的占位面積各為 56 mm 2，而轉(zhuǎn)換器在 IC 內(nèi)完全集成了等效 FET。

當堆疊轉(zhuǎn)換器以實現(xiàn)更高電流時，轉(zhuǎn)換器設(shè)計的尺寸優(yōu)勢開始減弱，因為每個單獨的轉(zhuǎn)換器都集成了控制器和 MOSFET。換句話說，對于每個新堆疊的轉(zhuǎn)換器，都有一個控制器占用更多的電路板空間。對于一個控制器，您只需要添加更多的功率級，同時保留一個控制器 IC。因此，在控制器設(shè)計中添加更多功率級比在轉(zhuǎn)換器設(shè)計中堆疊轉(zhuǎn)換器需要更少的電路板空間。

目前不可能堆疊超過四個轉(zhuǎn)換器，這限制了可堆疊轉(zhuǎn)換器可以輸出的電流量。具有外部功率級的多相控制器設(shè)計可以輸出更高的電流。

在某個時刻，TPS546D24A 轉(zhuǎn)換器設(shè)計開始產(chǎn)生比控制器設(shè)計更大的面積。單個 TPS546D24A 轉(zhuǎn)換器以 40A 的最大輸出電流和 550kHz 的開關(guān)頻率運行，其設(shè)計面積約為 585 mm 2。估計兩個或多個堆疊轉(zhuǎn)換器的設(shè)計面積與一個轉(zhuǎn)換器的面積成比例。例如，在將兩個轉(zhuǎn)換器堆疊在一起的設(shè)計中，設(shè)計面積約為 2 × (585 mm 2 ) = 1,170 mm 2。

堆疊多達4個TPS546D24A轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生160 A的總輸出電流，但TPS40425控制器只能達到80的最大負載電流 A. 相反，讓我們比較一下TPS546D24A轉(zhuǎn)換器的大小與六相TPS53667控制器的大小，后者的最大輸出電流為160 A.

堆疊三個轉(zhuǎn)換器時，堆疊轉(zhuǎn)換器的尺寸優(yōu)勢明顯減弱，堆疊四個轉(zhuǎn)換器時的設(shè)計面積大于控制器設(shè)計。我已經(jīng)做了一些近似值，這些近似值會影響此比較的確切足跡測量。轉(zhuǎn)換器設(shè)計假設(shè)每個堆疊轉(zhuǎn)換器 IC 都包含幾個模式選擇電阻器。實際上，在堆疊設(shè)計中，最多只有一個轉(zhuǎn)換器需要這些電阻器。

TPS53667控制器使用了6個功率級，而在TPS546D24A轉(zhuǎn)換器中集成了四個總功率級。理想情況下，四堆疊轉(zhuǎn)換器設(shè)計將直接比較四相控制器設(shè)計，只需要四個功率級，而不是六級，這將產(chǎn)生一個更小的尺寸。轉(zhuǎn)換器設(shè)計大于六相控制器設(shè)計的事實表明，在更大的堆棧數(shù)量下，尺寸受到損害的程度。盡管有這些近似，您可以期望可堆疊轉(zhuǎn)換器設(shè)計在堆疊四次時失去與多相控制器相比的尺寸優(yōu)勢。

效率

效率很大程度上取決于選擇的 FET 或位于開關(guān)節(jié)點上的功率級，無論它是集成的還是位于外部。將 TPS546D24A 可堆疊轉(zhuǎn)換器設(shè)計的效率與使用 CSD95372BQ5M 外部功率級的 TPS40425 多相降壓控制器設(shè)計進行比較時，您可以看到兩種設(shè)計在 50A 時的效率非常相似：轉(zhuǎn)換器為 89.5%，轉(zhuǎn)換器為 89.9%控制器。效率與負載電流關(guān)系圖表明，控制器設(shè)計的總體效率往往更高，直到負載電流約為 55A。

CSD95372AQ5M外部功率級的優(yōu)勢在于其推薦的最大工作開關(guān)頻率為 2,000 kHz，因此選擇更高的開關(guān)頻率需要較少的妥協(xié)。與轉(zhuǎn)換器中的集成 FET 相比，外部功率級可以在更高的開關(guān)頻率下保持更高的效率。如果您的設(shè)計不需要在更高的開關(guān)頻率下運行，您可以將功率級換成 CSD95327BQ5M，它具有更高的效率但成本更高，并且對輸入電壓噪聲的容忍度更低。當優(yōu)化效率成為優(yōu)先事項時，設(shè)計人員可以自由選擇最佳外部功率級進行設(shè)計。

功率損耗直接影響效率。同步降壓轉(zhuǎn)換器中功率損耗的一個重要來源是 MOSFET 損耗，它由傳導損耗和開關(guān)損耗組成。傳導損耗由 MOSFET 的導通電阻和晶體管的均方根電流決定。開關(guān)損耗包括幾個部分：MOSFET 開關(guān)損耗(高側(cè)和低側(cè))、MOSFET 柵極驅(qū)動損耗、低側(cè)體二極管損耗和 MOSFET 輸出電容損耗。特定應(yīng)用的所選輸入?yún)?shù)(例如輸入電壓、輸出電壓、輸出電流和開關(guān)頻率)會影響這兩種損耗的大小?？刂破髟O(shè)計中的外部功率級使設(shè)計人員能夠選擇一個功率級，以最大限度地減少總功率損耗并最大限度地提高其特定應(yīng)用的效率。

不幸的是，不可能進一步在轉(zhuǎn)換器中優(yōu)化集成的fet，這使您無法達到與效率優(yōu)化的控制器設(shè)計相同的效率。然而，您可以為轉(zhuǎn)換器設(shè)計的易于使用提供一個理由。在控制器設(shè)計中，最小化功率損失的時間可能不值得效率上的邊際效益。

熱耗散

散熱是一種印刷電路板(PCB)功率損耗的形式，它會影響設(shè)計的效率。有效的散熱最大限度地增加在PCB上傳導熱的銅面積。在直流/直流降壓控制器和轉(zhuǎn)換器布局中，熱源來自多相控制器和功率級。一種能產(chǎn)生更多功率密度的設(shè)計往往會有更差的散熱效果。

由于TPS546D24A轉(zhuǎn)換器集成了功率級和控制器，所以熱產(chǎn)生的來源僅來自兩個轉(zhuǎn)換器集成電路，其占地面積為126 mm2。控制器設(shè)計從主控制器IC電路和兩個外部功率級產(chǎn)生熱量，其占地面積為178 mm2?？刂破髟O(shè)計比變頻器設(shè)計更能散熱41%，因此在理論上，控制器設(shè)計往往具有更好的熱性能。設(shè)計成本

讓我們使用電源設(shè)計器的成本優(yōu)化功能來比較優(yōu)化設(shè)置下每個設(shè)計的成本和大小，并從電源設(shè)計器生成材料清單(BOM)成本。

當對成本進行優(yōu)化時，TPS546D24A轉(zhuǎn)換器設(shè)計的BOM成本低于TPS40425控制器設(shè)計的BOM成本。當優(yōu)化尺寸時，TPS546D24A轉(zhuǎn)換器設(shè)計的解決方案尺寸為802 mm2，但總BOM成本為36.32美元。尺寸優(yōu)化的設(shè)計要求小輸入的大容量電容器，占20.52美元，或超過BOM總成本的50%。如果最小化成本是最優(yōu)先的，您可以將大容量電容器替換為成本較低但具有更高的設(shè)計方案。

優(yōu)化成本可以使BOM減少59%，但可以權(quán)衡增加29%的規(guī)模。這種權(quán)衡是否值得取決于應(yīng)用程序，但很明顯，成本優(yōu)化的設(shè)計比尺寸優(yōu)化的設(shè)計更接近于更平衡的設(shè)計。

在這種情況下，成本降低來自使用具有更大尺寸的低成本輸入電容器。由于控制器設(shè)計不需要任何大容量電容器，因此兩種優(yōu)化之間的成本和占位面積差異不大。尺寸優(yōu)化的控制器設(shè)計成本比轉(zhuǎn)換器設(shè)計成本低 29%，但要大 14%。這很重要，因為例如，如果您的設(shè)計對成本敏感并且不需要絕對最小尺寸，您可以選擇尺寸優(yōu)化的控制器設(shè)計，而不是更昂貴的轉(zhuǎn)換器設(shè)計。如果您可以承受大于 1,000 mm 2的占位面積，則成本優(yōu)化轉(zhuǎn)換器設(shè)計提供了更平衡的解決方案，與成本優(yōu)化控制器設(shè)計相比，總 BOM 成本更低，占位面積更小。

采購也是考慮成本時的一個因素?？啥询B式轉(zhuǎn)換器簡化了采購過程，因為電源階段的集成意味著設(shè)計師必須只保留一個IC的庫存，而不是一個IC及其電源階段。一個設(shè)備的大規(guī)模采購可以進一步降低更大的價格，盡管差異可能沒有那么顯著。控制器在采購方面的優(yōu)勢在于提供電力級、fet和驅(qū)動程序的各種供應(yīng)商。

結(jié)論

總體而言，可堆疊轉(zhuǎn)換器通常可以實現(xiàn)更小的尺寸，即使在優(yōu)化成本時也不會受到影響。多相降壓控制器提供更好的散熱和效率，同時讓設(shè)計人員可以自由定位和選擇自己的功率級。在有線網(wǎng)絡(luò)和無線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中使用轉(zhuǎn)換器可以優(yōu)先考慮降低成本和尺寸。當您需要高效率和卓越的熱性能，或者您的設(shè)計需要非常高的電流時，多相控制器非常適合。