如何實現(xiàn)高性能的混合DC/DC電源變換器的應用設計？

隨著微電子技術、磁性材料科學以及其他邊沿技術科學的不斷改進和飛速發(fā)展，使得開關穩(wěn)壓電源( DC - DC、DC - AC、AC - DC、AC-AC等各種非線性高頻變換器技術)、功率因數(shù)校正( PFC)、電機驅動和電源管理技術有了突破性的進展，而DC-DC變換器技術則是這些技術中的核心。

DC-DC變換器集成電路/模塊不僅成為各種功率電子設備的心臟，而且也成為各種功率電子設備和系統(tǒng)高效率、低功耗、安全可靠運行和自動化控制的關鍵。

由于許多方面的技術改進，越來越多的供應商提供電源模塊?，F(xiàn)在是利用新一代電源模塊的時候了。選擇功率模塊的過程非常重要，設計人員需要在價值(性能和尺寸)與成本效益方面選擇最佳解決方案。

對更高密度電路板的要求和減小系統(tǒng)尺寸正在推動隨著功率模塊的發(fā)展，需要更小的DC/DC解決方案。電源模塊技術需要很多年才能進入大眾市場。在早期，設計電源轉換器非常困難。當時，它們完全采用分立和引線元件設計，或者從變壓器的分接頭中取出?，F(xiàn)實情況是，設計電源轉換器被認為是一種黑色藝術。這個領域的專家很少，他們對功率轉換的各個方面都有很好的理解。設計周期花了一年多的時間，因為由于高di/dt或dv/dt引起的穩(wěn)定性問題，元件故障或EMI問題以及增加輻射EMI量的不適當或約束布局，需要多次設計迭代。

后來，Unitrode等公司開發(fā)了PWM控制器，功率晶體管供應商開始提供MOSFET技術來取代雙極晶體管。開關轉換頻率增加到約100 kHz，表面貼裝元件進入主流。隨著工藝，封裝和MOSFET技術的改進，帶有集成控制器和電源開關的DC/DC穩(wěn)壓器問世。這樣可以進一步減小電路板空間并提高功率密度(見圖1)。

今天，只有少數(shù)半導體供應商在一個封裝中提供一體化DC/DC解決方案。除控制器和電源開關外，電感器和無源元件現(xiàn)已集成到封裝中。為了減小模塊封裝的外形尺寸，必須大幅降低電感器尺寸，同時仍能提供良好的性能。這可以通過增加開關頻率來實現(xiàn)，從而允許使用具有較小電感的較小電感器，這也降低了電感器的DC電阻。權衡將是控制器和MOSFET開關損耗的增加。

好消息是半導體工藝和MOSFET技術多年來有了顯著改善，降低了更高開關頻率的影響。通過更小的幾何形狀，可以實現(xiàn)改進的性能并且可以減小硅尺寸。具有改進的品質因數(shù)的較新MOSFET有助于優(yōu)化開關和傳導損耗的折衷，從而提高效率，從而允許使用更小的封裝尺寸并具有足夠的功耗。此外，隨著熱阻降低，封裝技術已經(jīng)發(fā)展到可以在小封裝中實現(xiàn)幾瓦的功耗。此外，無源元件電源(電容器，二極管，電阻器)也在減少占用空間，以節(jié)省空間。通過所有這些技術改進，這使得集成電源模塊能夠達到目前可用的功率密度水平(圖2)。

為什么要使用電源模塊而不是分立方法?

除了電源模塊占用的空間小于分立解決方案，使用電源模塊還有許多其他優(yōu)點。盡管使用分立方法可以獲得最高效率，但如果節(jié)省電路板空間是您的主要要求，您可以通過折衷幾個百分點的效率來滿足密度要求。例如，Micrel電源模塊在90%的范圍內(nèi)實現(xiàn)了效率，并且由于采用了HyperLight Load?技術，因此在輕負載條件下效率很高。

分立式電源轉換器需要更多的空間和精心的元件定位關心。優(yōu)化布局和布線可能非常具有挑戰(zhàn)性。 AC電流回路較大，并且更容易受到輻射EMI問題的影響，因為這些回路的作用類似于天線。模塊內(nèi)關鍵功率元件的集成最大限度地減小了環(huán)路的尺寸，只需要將輸入和輸出電容靠近IC并連接到GND，這很容易實現(xiàn)。對于大多數(shù)客戶而言，滿足CISPR22，CLASS B或EN55022要求是必要的。圖3顯示了這些新模塊的性能。

附加性能電源設計的考慮因素包括負載瞬態(tài)和熱管理。負載瞬態(tài)是控制回路架構，開關頻率和輸出濾波器尺寸的函數(shù)。熱問題與工作環(huán)境溫度和從功率部件移除熱量的能力有關。對于功率模塊，這是主要問題之一，因為大部分熱量在封裝內(nèi)消散。占板面積更小，與電路板的接觸面積更小(適用于QFN型封裝)。因此，為了實現(xiàn)使用小功率模塊解決方案的優(yōu)勢，必須擁有一個具有低熱阻(特別是結對板)的高級封裝以及高效穩(wěn)壓器(圖4)。

滿足具有挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)要求

完全集成后，最新的電源模塊解決方案可為最終用戶提供一定的靈活性，如用外部電阻設置電流限制，頻率和輸出電壓。通過這種方式，可以針對系統(tǒng)中的不同輸出電壓調(diào)整相同的模塊。調(diào)節(jié)電流限制的能力允許最佳的過流保護。調(diào)整頻率的能力解決了效率與瞬態(tài)權衡的關系。此外，由于許多部件都包含在電源模塊中，因此設計的布局和布線更加容易。根據(jù)電源模塊供應商的不同，外露熱墊的尺寸和形狀可能不同。一些供應商提供非常容易使用QFN封裝的焊盤位置，而其他供應商使用LGA/BGA封裝，組裝起來可能更加困難和昂貴。

設計用于工業(yè)或醫(yī)療應用的分布式電源系統(tǒng)時，小型具有寬工作輸入和輸出電壓范圍的高壓解決方案是理想的選擇。 MIC28304采用小型12 x 12 x 3 mm封裝，采用70 V/3 A模塊，與分立式解決方案相比，可將PCB要求降低60%以上。該器件的外部元件可靈活設置電流限制頻率(如果需要避免某個開關頻率)和輸出電壓(可在0.8 V至24 V范圍內(nèi)編程)。該器件在光亮和飽滿時均可實現(xiàn)令人印象深刻的效率水平加載HyperLight Load版本。最后，該電源模塊符合EMI CISPR 22 B類規(guī)范。

在設計企業(yè)基礎設施，數(shù)據(jù)通信，F(xiàn)PGA電源或分布式12 V總線應用時，要求不同。這些應用通常需要更高的電流，更高的效率和更小的尺寸，因為電路板空間非常寶貴。負載點通常需要靠近處理器。對于此類應用，MIC452xx系列器件具有最小的外形尺寸和最高的功率密度。所使用的控制架構針對快速環(huán)路響應進行了優(yōu)化，因此需要較小的輸出電容。同時，5 V至24 V的寬輸入電壓范圍允許使用同一系列來提供5 V或12 V公共母線軌，從而減少了符合條件且必須保留的部件數(shù)量庫存。再一次，單個器件具有高靈活性，并且具有最少的外部元件，可實現(xiàn)非常小的外形尺寸。與LGA解決方案相比，這些器件采用QFN封裝，更易于布局，所有元件均可放置在頂部(圖5)。如果需要更小的解決方案，可以將一些無源元件放置在底部。