使用動(dòng)態(tài)功率控制方案，降低IDAC驅(qū)動(dòng)中的產(chǎn)生的熱量

當(dāng)電流型DAC(IDAC)驅(qū)動(dòng)它們的負(fù)載時(shí),通道供電電壓(PVDS)和輸出負(fù)載電壓之間的差異會(huì)在負(fù)載上下降。這導(dǎo)致芯片內(nèi)功率耗散,因此可能導(dǎo)致模具溫度過高,影響可靠性,并降低整體系統(tǒng)效率。

本文詳細(xì)介紹了一種簡單的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功率控制的電流型DAC轉(zhuǎn)換器IDAC使用一個(gè)精確的模擬微控制器作為主機(jī)和一個(gè)單感應(yīng)多輸出(Simo)開關(guān)調(diào)節(jié)器,以減少解決方案的尺寸。在動(dòng)態(tài)功率控制下,IDAC電源電壓保持在一定的最低水平,以保持IDAC信道在任何給定輸出電流和負(fù)載電壓下的運(yùn)行,從而最大限度地減小芯片上的功率耗散。

IDAC的產(chǎn)出階段

IDAC的簡化輸出階段如圖1所示。值得注意的是當(dāng)前BUY(下沉)的輸出PMO驅(qū)動(dòng)階段。MOS級(jí)的源連接到負(fù)載,因此負(fù)載電壓決定IDAC的功能。負(fù)載電壓應(yīng)該足夠低(或?qū)﹄娏鹘邮掌鱽碚f足夠高),以保持輸出設(shè)備在飽和狀態(tài),從而保持高輸出阻抗,以驅(qū)動(dòng)負(fù)載的準(zhǔn)確定義電流。

圖1IDAC的輸出階段

熱約束

因此,IDAC的輸出階段將會(huì)降低任何頭空間,即電源和負(fù)載電壓之間的差,同時(shí)也要尋找輸出電流。這導(dǎo)致輸出階段的功率耗散,從而提高了設(shè)備的溫度。芯片功率耗散只是頭室電壓和輸出電流的產(chǎn)物。

芯片上的功率耗散可以將模具的連接溫度提高到超過推薦的操作限制,并且可能是具有大通道密度或環(huán)境溫度較高的系統(tǒng)的主要關(guān)注點(diǎn)。

考慮到IDAC通道為300 mA到10 Ω，IDAC電源PVDD為3.5 V，相應(yīng)的負(fù)載電壓VOUT為3V，如圖1所示。因此，凈空電壓為0.5 V，片上功耗約為0.5 V×300 mA = 0.15 W。如果IDAC通道產(chǎn)生低于全尺度的電流或負(fù)載阻抗降低，負(fù)載電壓降低，在輸出MOS級(jí)降低多余的凈空，表現(xiàn)為片上散熱。

器件的結(jié)溫度與功率耗散有關(guān)，如式1所示。

說明

TJ為結(jié)點(diǎn)溫度。

PDISS是片上的功耗。θ 是的 通常在數(shù)據(jù)表中提供的連接熱阻。

T A 是環(huán)境溫度。

另一種查看方程1的方法是確定給定功率耗散量的裝置所允許的最大環(huán)境溫度,如方程2所示。

在一個(gè)49球WLCSP包中,最大連接溫度T J(MAX) 溫度不能超過115℃ 是的 該包件為30℃/西經(jīng)。在前一個(gè)示例中,對(duì)于一個(gè)耗散P的IDAC信道 光盤 在內(nèi)部0.15%度,溫度上升為0.15%度30度/度=4.5度。最大安全環(huán)境溫度降至110.5℃。

如果一個(gè)包中有四個(gè)通道,每個(gè)通道內(nèi)部耗散0.15%瓦,則芯片上的總耗散功率為0.6%瓦。四個(gè)通道引起的溫度上升 光盤 × θ 是的 =0.6%x30°C/西經(jīng)=18°C。因此,最大安全環(huán)境溫度僅為97℃。

由于目前光通信系統(tǒng)對(duì)信道密度的要求越來越高,因此開始發(fā)現(xiàn) a(最大) 在最終應(yīng)用中可能會(huì)引起關(guān)注。多通道電流輸出DACS驅(qū)動(dòng)光負(fù)載,如激光二極管、硅光學(xué)放大器和硅光電倍數(shù)器在一個(gè)板或系統(tǒng)上是很常見的。此外,密集的填料意味著系統(tǒng)溫度的顯著上升.

動(dòng)態(tài)功率控制

利用動(dòng)態(tài)變PVDS電源電壓(又稱動(dòng)態(tài)功率控制(DPC))改進(jìn)了芯片功耗過大的問題。DPC的目的是提供PVDS電源電壓,使IDAC信道能夠在任何給定的輸出電流和負(fù)載電壓下正常工作。

DPC可以有不同類型的實(shí)現(xiàn)。其中一種方法是使用ADC來感知負(fù)載電壓,然后用單片機(jī)計(jì)算所需的PVDS電壓。然后,這個(gè)電源電壓可以由另一個(gè)電壓或電流源/接收器或甚至使用的IDAC的另一個(gè)通道設(shè)定。

反饋可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)pvds的更改。圖2和圖3提供了使用電壓或電流輸出反饋,以保證具有反饋(FB)節(jié)點(diǎn)的可編程輸出的開關(guān)模式調(diào)節(jié)器的輸出。

圖2用電壓輸出DACS改變直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出。

圖3使用電流源/匯DACS改變直流轉(zhuǎn)換器的輸出。

本文所描述的解決方案顯示了IDAC動(dòng)態(tài)功率控制的簡單實(shí)現(xiàn)?AD5770R 使用精密模擬微控制器?ADUCM410 作為主機(jī)和模擬開關(guān)調(diào)節(jié)器?MAX77655 .這一解決方案可以為其他IDAC家庭與其他轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)器,都來自于農(nóng)業(yè)發(fā)展指數(shù)。MAX77655便于使用i2c總線控制其輸出電壓,因此不需要如前所述的反饋。

動(dòng)態(tài)功率控制測(cè)試

圖4展示了用于演示動(dòng)態(tài)功率控制的好處的完整系統(tǒng)設(shè)計(jì)。西莫調(diào)節(jié)器通道被用來驅(qū)動(dòng)IDAC的個(gè)別pvds供電。主機(jī)微控制器用于控制調(diào)節(jié)器輸出和IDAC輸出電流。IDAC有一個(gè)內(nèi)部診斷復(fù)用器來輸出電流和負(fù)載電壓的每個(gè)通道。采用主機(jī)控制器內(nèi)置的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)IDAC的多路復(fù)用輸出進(jìn)行了感知和數(shù)字化處理。

圖4實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功率控制解決方案.

DPC的算法可以有不同的形式,但可以大致分為兩種類型:一種是IDAC驅(qū)動(dòng)已知阻抗的情況,另一種是IDAC驅(qū)動(dòng)未知或變化阻抗的情況。

對(duì)于已知的阻抗,微控制器可以執(zhí)行一個(gè)計(jì)算,以獲得所需的最小電源,并相應(yīng)地設(shè)置PVDS電源電壓。

對(duì)于未知的阻抗,或者更常見的是,對(duì)于在溫度下出現(xiàn)不同阻抗的負(fù)載,主機(jī)控制器可以在pvds電源足夠高時(shí),首先感知負(fù)載電壓。然后控制器可以將PVDS電源降至最佳值,即負(fù)載電壓和最小頭室電壓的總和。然后,可以為每個(gè)IDAC通道代碼更改觸發(fā)這個(gè)步驟,或者在固定的時(shí)間間隔下觸發(fā),以適合最終應(yīng)用程序的方式為準(zhǔn)。

無論采用什么方法,注意的一個(gè)關(guān)鍵規(guī)格是IDAC的最小頭室電壓規(guī)格。PVDS電源電壓與負(fù)載電壓之間的任何差異都會(huì)被拋過IDAC輸出級(jí),從而導(dǎo)致芯片上的散熱。

結(jié)果

為了演示的目的,圖5中僅繪制了一個(gè)IDAC通道(IDAC5)的結(jié)果,該通道的整個(gè)電流范圍為100ma,這是為了驅(qū)動(dòng)一個(gè)22微米的負(fù)載。應(yīng)當(dāng)指出的是,IDAC的最低供電需求為2.5V,最低頭室電壓為0.275V。在主機(jī)微控制器上運(yùn)行的固件代碼必須遵守這些限制。

圖5芯片功率耗散與PVDS電源電壓的比較。

通過測(cè)量PVDS電源電壓與負(fù)載電壓之間的差來計(jì)算芯片內(nèi)功率耗散。這兩個(gè)案例都是這樣做的--一個(gè)具有DPC,一個(gè)沒有。在沒有DPC的情況下,PVDS電源電壓固定在2.5V,AVE=0V。

通過測(cè)量從3.3V電源輸入到開關(guān)調(diào)節(jié)器的電流和IDAC的AVDPIN的電流,也可以注意到系統(tǒng)的總耗電量。圖6顯示了3.3V電源在0-100MA的整個(gè)電流范圍內(nèi)的總耗電量。

圖6有和沒有DPC的系統(tǒng)總耗電量。

圖7和圖8顯示了在pvds和IDAC通道銷上觀測(cè)到的波紋圖。由于IDAC是直接由開關(guān)調(diào)節(jié)器輸出驅(qū)動(dòng)的,如圖4所示,根據(jù)IDAC的交流電源拒絕率(psrr)規(guī)范,預(yù)計(jì)會(huì)有一定的波動(dòng)。交流PSRR是一種衡量輸出電流拒絕交流變化的電源應(yīng)用于反饋。通過優(yōu)化Simo的輸出電容器和(或)如果應(yīng)用程序需要,在SimoPMII輸出中使用濾波器,可以進(jìn)一步去除波紋。這些圖是在西莫輸出和IDAC供電銷之間使用LC濾波器獲得的。建議使用低ESR的電感器作為IDAC可以產(chǎn)生或吸收大量電流。

圖7.使用交流耦合輸入的IDAC5 100 mA范圍的全波紋圖(AC耦合)。

圖8.使用AC耦合輸入的IDAC5 100 mA范圍內(nèi)的中型波紋圖(AC耦合)。

Implementation

硬件實(shí)現(xiàn)可以根據(jù)最終應(yīng)用程序采取不同的形式。圖11顯示了兩種選擇,一種是單極供電,僅包括MAX77655(頂部),另一種是雙極供電,另一種是直流-直流轉(zhuǎn)換器,即?ADP5073 (底部)補(bǔ)充提供負(fù)供電。在兩種情況下,都沒有顯示單片機(jī)。從表面上看,兩個(gè)選擇都非常緊湊,分別適合于1.275'x0.605'和1.502'x0.918'的尺寸。這兩個(gè)選項(xiàng)都沒有經(jīng)過評(píng)估,而是解決方案尺寸的緊密性的證明。結(jié)果用離散板得到.圖9和圖10顯示了所謂解決方案的3D表現(xiàn)。

圖9用單極供電的最終PCB的三維表現(xiàn)。

圖10用雙極供電的最終解決方案的3D表現(xiàn)。

圖11使用模擬PMII作為電源解決方案的樣例布局。頂部:單極供電。底部:兩極供電。

結(jié)論

總之,動(dòng)態(tài)功率控制在電流輸出發(fā)壓器上造成較小的芯片功耗,在不影響負(fù)載運(yùn)行的情況下降低了總功耗。西莫拓?fù)溟_關(guān)調(diào)節(jié)器是一個(gè)理想的解決方案來驅(qū)動(dòng)IDAC,如AD5770R,同時(shí)也是緊湊的布局和功率效率。