節(jié)能環(huán)保已成為今天電源解決方案的發(fā)展主旋律。電源系統(tǒng)正面臨前所未有的挑戰(zhàn):環(huán)境的惡化迫使人們不得不考慮采用更加清潔的替代能源;電子設(shè)備的發(fā)展也亟需提升現(xiàn)有電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)提高電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率,優(yōu)化不同負(fù)載條件下的功耗以及采用新型綠色能源,可實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。
空間受限的應(yīng)用以及散熱的挑戰(zhàn)
讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)師煩擾的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是應(yīng)采用單級(jí)轉(zhuǎn)換還是兩級(jí)或者更多級(jí)轉(zhuǎn)換,比方說(shuō)從48V到1.xV,是 轉(zhuǎn)換,還是從48V到12V中間總線架構(gòu),然后再利用負(fù)載點(diǎn)(POL)轉(zhuǎn)換器從12V轉(zhuǎn)換到1.xV。具體采用何種架構(gòu)取決于很多因素,包括根據(jù)系統(tǒng)類(lèi)型、采用的設(shè)計(jì)方法以及其他因素來(lái)決定。然而不管采用哪種架構(gòu),電壓不斷下降的同時(shí)對(duì)電流有更高需求的應(yīng)用,持續(xù)推動(dòng)著很多這類(lèi)大功率系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),并推動(dòng)著對(duì)于電源IC技術(shù)的不斷改進(jìn)?傮w來(lái)說(shuō),在對(duì)電源轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生 影響的前提下允許采用更高的開(kāi)關(guān)頻率,還可以依靠降低開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗來(lái)提高電源效率性能。分立式電源設(shè)計(jì)是將傳統(tǒng)的電源模塊和分立元件一起放置在一塊印刷電路板上,由于外形尺寸的影響而導(dǎo)致電氣性能和熱性能均受到限制。因此,關(guān)鍵是提供一個(gè)完全集成并提高電氣和散熱性能的電源解決方案,同時(shí)又能給工程師提供一個(gè)易于使用和靈活編程的緊湊型方案。
Altera旗下Enpirion品牌的PowerSoC采用獨(dú)特的MEMS電感集成技術(shù)和EDMOS開(kāi)關(guān)管集成技術(shù),在實(shí)現(xiàn)高功率密度和更高效率性能的目標(biāo)上大大前進(jìn)了一步。其能夠滿足高性能、大功率空間受限電源設(shè)計(jì)面臨的巨大挑戰(zhàn)。
其實(shí),大功率POL穩(wěn)壓器是空間受限電源設(shè)計(jì)的一個(gè)很好的例子。這種類(lèi)型的電源在大型系統(tǒng)板上一般放在非?拷⑻幚砥鳌PGA或者ASIC的地方,為這些器件提供全部所必需的功率。大型數(shù)字器件常常需要范圍為幾安培至100安培以上的電流。大型系統(tǒng)板常常需要幾個(gè)這樣的POL電源,因此為這些電源設(shè)計(jì)中的每一個(gè)分配空間帶來(lái)了挑戰(zhàn)。除此之外,系統(tǒng)板的背面常常是高度受限的,一般不適合電源設(shè)計(jì)。分立電源轉(zhuǎn)換器一般會(huì)利用系統(tǒng)板的兩面實(shí)現(xiàn)緊湊型設(shè)計(jì),而傳統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)由于其高度太高,將僅限于系統(tǒng)板正面。Altera新推出的一系列電源集成方案都實(shí)現(xiàn)更低的方案尺寸和器件高度,非常適合空間受限的大型功率應(yīng)用,例如可提供連續(xù)輸出電流30A的數(shù)字電源方案EM1130。該產(chǎn)品集成電感、開(kāi)關(guān)MOSFET、控制器和補(bǔ)償回路,整體器件尺寸只有11mm×17mm,高度僅有5mm,整個(gè)方案整體的占位面積小于360mm2,并有進(jìn)一步縮小方案尺寸的潛能。
圖1全集成的30A數(shù)字電源EM1130以及方案占位圖
另外一個(gè)引人注目的用于POLDC/DC轉(zhuǎn)換的IC是EC7401。該器件是一個(gè)4相同步降壓型開(kāi)關(guān)控制器,具有跟蹤功能,用于驅(qū)動(dòng)外部互補(bǔ)功率MOSFET。其具有MOSFETVDS檢測(cè)的恒定功率,電流模式架構(gòu)消除了對(duì)電流檢測(cè)電阻的需求,降低了成本并提高了工作效率。讓多個(gè)PowertrainET4040以異相工作, 大限度地降低了由輸入電容器ESR引起的功率損耗和噪聲。EC7401+ET4040方案還極大地降低了輸入和輸出電源上的峰值輻射和傳導(dǎo)噪聲。這使符合國(guó)際EMI標(biāo)準(zhǔn)更加容易,100%占空比能力提供了低壓差工作性能。
由于在一個(gè)給定機(jī)箱內(nèi)的空間和冷卻受限,以及需要正確的電源跟蹤以改善系統(tǒng)可靠性等多種限制因素,用于大功率的POLDC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)工程師面臨很多挑戰(zhàn)。盡管市場(chǎng)上產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期在日益縮短,因?yàn)锳ltera的PowerSoC系列產(chǎn)品易于使用,所以可以縮短產(chǎn)品從開(kāi)發(fā)至上市的時(shí)間,并 地降低了設(shè)計(jì)難度。
需要滿足更嚴(yán)苛的電氣性能
電氣系統(tǒng)節(jié)能在 的勢(shì)頭正在增強(qiáng),就產(chǎn)生和消耗而言,成本節(jié)省太具有吸引力了。迎接這一挑戰(zhàn)的是電源管理IC供應(yīng)商,他們正在采用新的設(shè)計(jì)方法,以在其產(chǎn)品中對(duì)數(shù)十安培負(fù)載電流實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換。同時(shí),他們還在IC置于備用或者停機(jī)模式的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低的靜態(tài)電流。
設(shè)計(jì)工程師需要應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)是,滿足所有系統(tǒng)內(nèi)核中不斷增加的高性能DSP和ASIC電氣性能要求。主要性能問(wèn)題包括電壓穩(wěn)壓、電流瞬態(tài)響應(yīng)和噪聲。
穩(wěn)壓和電流瞬態(tài)響應(yīng)密切相關(guān)。為了在解決方案尺寸越來(lái)越小且功耗越來(lái)越低的情況下獲得更高的性能,要使用所需電壓也不斷降低的更小晶體管工藝來(lái)制造數(shù)字半導(dǎo)體,F(xiàn)在低于1V的內(nèi)核電壓要求將成為標(biāo)準(zhǔn)的電壓要求。除了低壓以外,對(duì)電壓容差的要求也越來(lái)越高。目前常用的標(biāo)準(zhǔn)是:線路(輸入電壓變化)、負(fù)載(負(fù)載電流微小變化)、時(shí)間、溫度和電流瞬變等造成的總電壓容差不超過(guò)3%。這樣,電源設(shè)計(jì)人員就只有30mV的電壓空間來(lái)滿足所有的數(shù)字系統(tǒng)要求。線路、負(fù)載、時(shí)間和溫度等DC參數(shù)還要占用大約一半(15mV)的容差預(yù)算。剩余的15mV則用于處理計(jì)算或數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載帶來(lái)的突發(fā)電流變化(1個(gè)至3個(gè)時(shí)鐘周期)。容-源-電-子-網(wǎng)-為你提供技術(shù)支持
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