混合集成電路DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
傳統(tǒng)的采用分離器件設(shè)計(jì)的電源變換電路具有很多缺點(diǎn)：電路設(shè)計(jì)與開發(fā)周期冗長(zhǎng)；由于具有較高的寄生參數(shù)，電路性能較低；所設(shè)計(jì)電路具有較大的解決方案尺寸；器件選型困難；分離器件較多，系統(tǒng)電路存在可靠性問題。
但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了混合集成電路設(shè)計(jì)的概念，從而克服了采用分離器件設(shè)計(jì)電路所存在的問題。混合集成電路DC/DC系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的用分離器件設(shè)計(jì)的電源變換電路系統(tǒng)來(lái)說，具有高性價(jià)比、高可靠性、高速度、設(shè)計(jì)周期短等一系列的優(yōu)點(diǎn)。
本文結(jié)合Fairchild公司設(shè)計(jì)的系列產(chǎn)品，對(duì)混合集成電路DC/DC變換器的設(shè)計(jì)原理、性能及應(yīng)用等進(jìn)行了分析研究。
混合集成電路DC/DC變換器的集成化設(shè)計(jì)方案
根據(jù)用戶需求和設(shè)計(jì)的目的不同，F(xiàn)airchild公司推出的混合集成電路DC/DC變換器主要采用兩種設(shè)計(jì)方案。而每一種設(shè)計(jì)方案，電路的設(shè)計(jì)上又有細(xì)微的差別，可以滿足不同用戶的需要。
1 混合集成電路DC/DC變換器設(shè)計(jì)方案1
在混合集成電路DC/DC變換器中，內(nèi)部電路集成了控制器、驅(qū)動(dòng)器和MOSFET等三種離散器件。對(duì)于每一類產(chǎn)品，其內(nèi)部電路設(shè)計(jì)采用的離散器件可以包括三種離散器件中的全部或部分，具體的設(shè)計(jì)可根據(jù)用戶的實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)?；旌霞呻娐稤C/DC變換器設(shè)計(jì)方案1的電路原理如圖1所示。
圖1 混合集成電路DC/DC變化器設(shè)計(jì)方案1
從混合集成電路DC/DC變換器設(shè)計(jì)原理圖可以看出，該電路中主要包括控制器、驅(qū)動(dòng)器和MOSFET等有源器件模塊。在實(shí)際使用時(shí)，電源輸出端需要外接電感、電容等器件對(duì)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行濾波；同時(shí)，輸出的電壓信號(hào)需要接到電路的反饋引腳上，以保證電路的正常工作。
采用本方案設(shè)計(jì)的混合集成電路DC/DC變換器含有控制器、驅(qū)動(dòng)器和MOSFET等有源器件，其整機(jī)效率可以高達(dá)95%，電源變換系統(tǒng)性能高，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)模塊具有更高的性價(jià)比。
采用本方案設(shè)計(jì)的混合集成電路DC/DC變換器產(chǎn)品有FAN5029、FAN5069等。器件寄生效應(yīng)低，輸出電壓紋波低，溫度范圍寬。
2 混合集成電路DC/DC變換器設(shè)計(jì)方案2
混合集成電路DC/DC變換器設(shè)計(jì)方案2是在一片混合集成電路DC/DC的設(shè)計(jì)中采用了兩片專用或優(yōu)化了MOSFET的同步BUCK電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其電路原理如圖2所示。
圖2 混合集成電路DC/DC變化器設(shè)計(jì)方案2
采用方案2設(shè)計(jì)的混合集成電路DC/DC變換器中，兩個(gè)MOSFET器件具有互補(bǔ)的作用，以降低開關(guān)損耗，而這兩個(gè)器件的設(shè)計(jì)位置可根據(jù)設(shè)計(jì)者的實(shí)際需要進(jìn)行布局。該芯片還內(nèi)置直通保護(hù)電路，可以有效防止電路上下橋臂的直通，大大地提高了電路的可靠性。在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)部分，不僅比常規(guī)的電源變換設(shè)計(jì)增加了驅(qū)動(dòng)能力，減少M(fèi)OSFET的開通關(guān)斷損耗，還把Boost-trap二極管也集成在芯片內(nèi)部，以簡(jiǎn)化外部用戶系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)。
DC/DC變換器的電壓輸出端需要外接電感和電容，對(duì)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行濾波，以滿足用戶系統(tǒng)電路的需要。變換器輸出的電壓信號(hào)需要接到芯片的反饋引腳上，以保證電路的正常工作。
采用此方案設(shè)計(jì)的混合集成電路DC/DC變換器產(chǎn)品有FDMF6700、FDMF8700等。器件中采用驅(qū)動(dòng)集成電路加兩個(gè)功率MOSFET的設(shè)計(jì)方法，寄生效應(yīng)極低，輸出電壓紋波低，工作溫度范圍寬，且節(jié)省了大量的板空間。
接口設(shè)計(jì)
采用Fairchild公司DC/DC變換器方案設(shè)計(jì)的電源變換器具有較大的電壓輸入范圍，可根據(jù)需要在3.3～24V之間調(diào)整，該公司DC/DC變換器的輸出電流可達(dá)到30A，輸出電壓范圍根據(jù)需要可設(shè)計(jì)為高到輸入電壓的90%或低到0.8V。
Fairchild公司的DC/DC變換器除了基本的電壓輸入、輸出端口外，一般還有HDRV（上橋臂MOSFET驅(qū)動(dòng)引腳）、LDRV（下橋臂MOSFET驅(qū)動(dòng)引腳）、GLDO（門驅(qū)動(dòng)信號(hào)引腳）、DISB（禁止信號(hào)引腳）、PWM（脈寬調(diào)制信號(hào)引腳）、BOOT（反饋信號(hào)引腳）等信號(hào)端口，具體到各型器件則會(huì)有微小的差異。
功耗情況
消費(fèi)類電子產(chǎn)品由于使用環(huán)境以及自身?xiàng)l件的限制，用戶對(duì)所選用器件的功耗要求非?？量?，尤其是電源變換器等便攜式設(shè)備。
以Fairchild公司的產(chǎn)品為例，其混合集成電路DC/DC變換器采用集成化方案設(shè)計(jì)，并力求減小MOSFET的開通關(guān)斷損耗，整機(jī)效率可高達(dá)95%。由于該變換器具有較高的轉(zhuǎn)換效率，因此內(nèi)部電路熱損耗低，在實(shí)際使用中只需要使用較小的散熱器或不用散熱器，從而可以降低系統(tǒng)電路的總體設(shè)計(jì)成本。
封裝形式與尺寸
由于數(shù)碼相機(jī)、攝像設(shè)備、媒體播放器、桌面電腦等電子設(shè)備的外型力求小巧，因此這類產(chǎn)品對(duì)內(nèi)部電路設(shè)計(jì)中器件的選用也同樣要求小巧而高效。
很多電源公司都采用了更小更薄的封裝形式，以節(jié)省系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)空間。如Fairchild 公司的FAN5069采用TSSOP-16封裝形式，尺寸僅為1.1mm×5mm×6.4mm；FDMF8700采用SMD封裝形式，尺寸僅為0.8mm×8mm×8mm。
混合集成電路DC/DC變換器的在系統(tǒng)應(yīng)用
混合集成電路DC/DC變換器在系統(tǒng)電路中應(yīng)用時(shí)，需要提供必要的外接器件和控制信號(hào)。
在變換器的輸入端，需要輸入合適的控制信號(hào)及直流電壓，以保證電路內(nèi)部的各分離器件按設(shè)計(jì)的意圖工作。同時(shí)，為了濾除輸入電壓信號(hào)上的噪聲，建議在輸入電壓和地之間接入旁路電容，其容值應(yīng)大于1μF。
在變換器的電壓輸出端需要接入合適參數(shù)的電感、電容，以濾除輸出電壓上的噪聲?；旌霞呻娐返妮敵鲭妷盒枰ㄟ^自舉電容接到電路的反饋引腳，以保證電路能夠正常工作。
混合集成電路FDMF8700為Fairchild公司推出的采用混合集成電路設(shè)計(jì)方案2的一種產(chǎn)品，其特點(diǎn)有：輸入電壓典型值12V，開關(guān)頻率最大可達(dá)500kHz，輸出電流最大可達(dá)30A，器件內(nèi)在的適應(yīng)性門驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部集成的自舉二極管，器件最高效率大于90%，低壓鎖定，輸出電壓可禁止，采用微型SMD封裝形式，產(chǎn)品制造使用無(wú)鉛材料。FDMF8700電源變換器的典型應(yīng)用電路如圖3所示。
圖3 FDMF8700電源變化器的典型應(yīng)用電路圖
圖3的電路中，DISB端為輸出禁止信號(hào)，可以方便地開關(guān)整個(gè)電源。PWM端為脈寬調(diào)制信號(hào)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)上橋臂和下橋臂的MOSFET，VIN和VCIN端為輸入電壓信號(hào)，VOUT端為輸出電壓信號(hào)，輸出電壓通過自舉電容CBOOT反饋到變換器的BOOT端。詳細(xì)電路設(shè)計(jì)請(qǐng)參照該芯片的技術(shù)說明書。
上圖應(yīng)用電路中輸入信號(hào)和各外接器件參數(shù)的選取可根據(jù)用戶實(shí)際需要來(lái)具體確定。
結(jié)語(yǔ)
本文以Fairchild推出的系列產(chǎn)品為例對(duì)混合集成電路DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行了分析研究。
由于分散式電源系統(tǒng)需要重復(fù)布線，尤其是當(dāng)電路中需要的低壓直流電源種類較多，如+5V、12V等，則電源布線多而繁瑣，混合集成電路DC/DC變換器的應(yīng)用可以在單一母線電壓（如+24V）供電的情況下，根據(jù)電路的實(shí)際需要，提供各種低壓直流工作電源。
混合集成電路DC/DC的應(yīng)用已涉及到各行各業(yè)，在普通消費(fèi)領(lǐng)域、航空航天與汽車領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。
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