浅谈如何实现高性能且高密度高电流的POL设计

所有的电子产品都像这个世界相同正在不断缩小。随着电路功能和整合度的提高，pCB板的空间变得弥足珍贵。重要的板空间要分配给应用的核心功能，这些应用包括微处理器、FpGA、ASIC以及与其相关的高速数据通道和支援元件。虽然设计者并不想这样做，但是电源却必须压缩到剩下的有限空间之内。功能和密度的新增，耗电也相应新增。这为电源设计者带来了很大的挑战──即如何以更小的佔位供应更高的电源？

答案说起来非常简单：提升效率并同时提高开关频率。但实际上，这却是一个很难解决的问题，因为更高的效率和更高开关频率是互相排斥的。儘管如此，国际整流器公司（IR）IR3847大电流负载点（pOL）整合稳压器的设计人员们开发出採用整合型MOSFET的DC-DC降压转换器，可在一个紧密的5×6mm封装中（如图1），将IR第叁代SupIRBuck系列的额定电流扩展到25A。

图1：IR38475x6mmQFN封装

这一解决方法拉抬了叁个领域的共同创新：IC封装、IC开关稳压器电路设计和高效MOSFET。由于最新的热增强型封装採用铜片，控制器中的创新针对大于1MHz开关频率的控制器和IR的最新一代──12.5代MOSFET，IR3847可在无散热器的情况下，在25A的电流下运作，与採用控制器和功率MOSFET的独立式解决方法相较，又将pCB的尺寸缩减了70%。利用IR3847（图2），在一个小至168mm2的面积内，现在能实现完整的25A电源解决方法。

图2:pCB面积缩减

开关频率可提高到1MHz或者更高，但仍要採用高输入电压（如12V），因而要一款新的专利型模组架构，出现极小的导通时间脉衝。例如，将输出功率从12V转换至1V的1MHz设计，必须具有83ns的脉衝宽度，这样就可以容许极小的抖动。在这些条件下，标準的pWM机制通常会出现30~40ns的抖动，关于这些应用而言，这样的抖动时间是没有意义的。IR3847内的pWM调节电路仅出现4ns的抖动，与标準解决方法（图3）相比更缩减90%，因而实现了双赢，即将输出电压纹波降低约30%的同时，也达到了1MHz或更高的频率/更高宽度的作业，实现更小的尺寸、更好的瞬态响应，以及採用更少量的输出电容。

图3：抖动比较

新款元件整合了IR公司最新一代的功率MOSFET，从而为具有15A~25A的应用取得更佳的电子性能，其峰值效率高于96%。为了达到更好的散热性能，例如，在供应25A的电流时，温度仅仅上升50°C的低值，因而採用该公司独有的封装（图4）。同步MOSFET转换到‘源极在下’配置，同时控制MOSFET却保持着传统的‘汲极在下’配置。大多数的热量是在同步MOSFET源中出现的，并且立即传导出封装，并降至底平面，而不是像竞争解决方法相同得经过晶片，因而有助于从控制MOSFET中传热，并同时降低MOSFET间开关结点间的连接电阻。

图4：专利型封装将热传导和电子传导最大化

作为第叁代SupIRBuck中的一员，这些元件符合工业市场中-40℃至125℃的工作结温要求。它可能针对单输入电压（5V~21V）作业进行配置，或者当供应5V的外部偏压时，将输入功率从1V转换至21V。IR3847具有后部封装高精度死区时间微调功能，将效率损耗降至最低，而且内部智慧LDO可实现整个负载範围上的效率最佳化。真正的差分远程检测关于大电流应用（图5）至关重要，在25℃至105℃的温度範围内实现0.5%的基準电压精度，输入前向和超低抖动相结合，可实现整个线压、负载和温度高于3%的整体输出电压精度。

其他先进特性还包括外部时脉同步、定序、追踪、输出电压容限、预偏压启动性能、实现输入电压感知、可调节OVp接脚和内部软启动。IR3847还具有採用专业检测接脚（VSNS）的真正的输出电压检测。因此，供应了一个强劲的解决方法，可以确保在所有条件下为输出电压进行监测，特别是出现反馈线缆断开的情况，否则，就会导致在传统竞争产品出现的严重的过压问题。

除此之外，还要关注关于佈局的简化，并使设计更加强劲以免受杂讯的干扰。例如，透过对接脚输出进行最佳化，实现关于旁通电容器实现简易的佈置，并透过叁线接脚选择电流限度，因而降低关于晶片的杂讯注入并节省了电容器，最终简化了佈局。

利用带有真正差分远程检测功能的大电流IR3847，IR解决了受到散热和空间限制的高密度和大电流应用方面的挑战。当与标準的独立式解决方法相比时，IR3847将pCB佔位空间降低了70%，仅要求具有168mm2的pCB佔位面积，以供应25A的电流并在负载端的右侧，总输出电压精度提高了3%。竞争元件一般仅具有5%或更低的精度。透过为脉衝宽度的抖动时间大幅度降低50ns，IR3847实现了更高的闭环频宽，最终实现更佳瞬态响应以及更低的输出电容。

图5：差分远端检测