作者：CECILIA CONTENTI高級(jí)營(yíng)銷經(jīng)理英飛凌科技

開發(fā)高效負(fù)載點(diǎn) (PoL) 調(diào)節(jié)方案，同時(shí)減少電路板空間是各種服務(wù)器、存儲(chǔ)、通信和消費(fèi)類應(yīng)用的關(guān)鍵要求。此外，必須在更短的設(shè)計(jì)周期內(nèi)設(shè)計(jì)、測(cè)試和實(shí)施此類 PoL 應(yīng)用程序。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，工程師們?cè)絹?lái)越多地尋找可以幫助他們簡(jiǎn)化和加快設(shè)計(jì)的小尺寸集成解決方案。

PoL 電源的要求 PoL 轉(zhuǎn)換器是電力系統(tǒng)架構(gòu)向前邁出的重要一步。為了響應(yīng)降低電壓水平和增加電流要求的驅(qū)動(dòng)力，PoL 是基于某種形式的分布式電源架構(gòu) (DPA) 的現(xiàn)代設(shè)計(jì)的關(guān)鍵推動(dòng)者。

使用圖 1 所示類型的 DPA 方法 帶來(lái)了許多好處，包括消除單一的中心故障點(diǎn)。然而，PoL 真正證明其價(jià)值的地方在于，更高的母線電壓可以一直使用到系統(tǒng)中需要轉(zhuǎn)換的點(diǎn)，從而減少配電損耗。只有在這一點(diǎn)上，電源電壓才會(huì)轉(zhuǎn)換為負(fù)載（通常是處理器）所需的低電壓、高電流軌。

圖 1：典型的分布式電源架構(gòu)。

“頭條”效率通常是在更高的功率水平下測(cè)量的——通常是當(dāng)系統(tǒng)以 70% 或更高的全輸出運(yùn)行時(shí)。然而，為了減少能源使用，現(xiàn)在許多系統(tǒng)都提供“睡眠”或“待機(jī)”模式，這是效率的新焦點(diǎn)。根據(jù)運(yùn)行時(shí)間與睡眠時(shí)間的比率，待機(jī)效率可能是定義系統(tǒng)使用成本的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。

典型的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)并非易事，通常被視為需要外包而不是“內(nèi)部”處理的專業(yè)學(xué)科。然而，借助有據(jù)可查的現(xiàn)成架構(gòu)，即使是非專業(yè)的電源設(shè)計(jì)人員也可以開發(fā)出領(lǐng)先的解決方案。

在大多數(shù)情況下，拓?fù)涫?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/降壓轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">降壓轉(zhuǎn)換器（通常稱為降壓轉(zhuǎn)換器）。組件選擇是關(guān)鍵，特別是對(duì)于將決定系統(tǒng)效率和性能的控制器和動(dòng)力傳動(dòng)系組件。

隨著電子系統(tǒng)變得更小或在與上一代相同的空間中封裝更高的性能，電源方案的空間通常受到限制。因此，設(shè)計(jì)人員面臨著提供更小、性能不斷提高的電源解決方案的壓力。因此，制造商被迫以越來(lái)越壓縮的時(shí)間尺度和盡可能少的“旋轉(zhuǎn)”來(lái)發(fā)布產(chǎn)品——最好是單次旋轉(zhuǎn)。

噪聲（或減輕噪聲）對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)仍然是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。通常不可預(yù)測(cè)（尤其是分立設(shè)計(jì)），EMI/EMC 是初始設(shè)計(jì)失敗的最常見原因之一，導(dǎo)致需要重新設(shè)計(jì)和重新測(cè)試電路板——延遲新產(chǎn)品的發(fā)布（和收入） .

簡(jiǎn)化 PoL 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)化 PoL 設(shè)計(jì)過(guò)程的最簡(jiǎn)單方法之一是使用由強(qiáng)大的應(yīng)用程序文檔支持的現(xiàn)成解決方案。遵循這種方法，設(shè)計(jì)人員可以利用 PoL 轉(zhuǎn)換器制造商的大量研發(fā)投資?，F(xiàn)成的解決方案還可以允許訪問(wèn)需要時(shí)間從第一原理開發(fā)的附加功能，同時(shí)顯著降低從頭開始設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)鍵是識(shí)別和選擇一種“標(biāo)準(zhǔn)”技術(shù)，該技術(shù)提供足夠的特性、性能和靈活性，使工程師能夠以經(jīng)濟(jì)的總解決方案成本為給定的應(yīng)用配置最佳解決方案。

最佳選項(xiàng)通常為設(shè)計(jì)人員提供全面的參考設(shè)計(jì)、應(yīng)用說(shuō)明和應(yīng)用圖表、典型工作波形、建議的組件列表，甚至 PCB 金屬和組件布局圖，為設(shè)計(jì)人員提供一種交鑰匙設(shè)計(jì)方法。所有這些都降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，加快了開發(fā)時(shí)間，并讓設(shè)計(jì)人員相信解決方案第一次就正確。

這種向下設(shè)計(jì)提供了經(jīng)濟(jì)的解決方案成本，具有高水平的優(yōu)化和集成，可以顯著減少所需的外部組件數(shù)量。這也加快了上市時(shí)間并降低了空間需求和成本，因?yàn)樾枰龀龅脑O(shè)計(jì)決策更少，需要尋找空間、采購(gòu)、庫(kù)存和放置的組件也更少。最終，這導(dǎo)致了一個(gè)優(yōu)雅的技術(shù)和商業(yè)解決方案。

集成硅解決方案用于電源設(shè)計(jì)的集成硅解決方案可以追溯到大約 40 年前的 1970 年代中期，當(dāng)時(shí)線性調(diào)節(jié)是正常的方法。此時(shí)，開關(guān)模式設(shè)計(jì)還處于起步階段，并為少數(shù)人所理解——主要是在軍事領(lǐng)域。隨著第一個(gè) PWM 控制器的出現(xiàn)，該技術(shù)被更多的設(shè)計(jì)人員使用并滲透到商業(yè)領(lǐng)域，盡管早期的控制器仍然需要用戶的大量設(shè)計(jì)輸入。隨著時(shí)間的推移，越來(lái)越多的功能被集成到控制器中，為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了更大的易用性，并為每個(gè)人提供了更多高級(jí)功能。主要由處理器的苛刻需求和“綠色能源”計(jì)劃推動(dòng)的持續(xù)創(chuàng)新導(dǎo)致了所謂的“智能能源”功能的結(jié)合。通常，控制器具有針對(duì)全功率和空載運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化的多種運(yùn)行模式。通過(guò)檢測(cè)和響應(yīng)負(fù)載的變化，控制器可以確保 PoL 始終以最佳效率運(yùn)行。

由 PoL 設(shè)備供電的負(fù)載的性質(zhì)也變得越來(lái)越復(fù)雜。例如，現(xiàn)代處理器中常見的動(dòng)態(tài)功率負(fù)載對(duì) PoL 提出了新的要求。解決此問(wèn)題的一種流行技術(shù)是恒定導(dǎo)通時(shí)間 (CoT)，其中控制 FET 為輸出電容器充電一段固定時(shí)間。CoT 技術(shù)提供良好的負(fù)載和線路瞬態(tài)響應(yīng)，并且通常不需要外部補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)更快、更輕松的設(shè)計(jì)。

許多 PoL 設(shè)備現(xiàn)在包含某些關(guān)鍵參數(shù)的可編程性，例如輸出電壓。從系統(tǒng)級(jí)的角度來(lái)看，這提供了簡(jiǎn)單性，因?yàn)橄嗤慕鉀Q方案可用于復(fù)雜系統(tǒng)中的多個(gè)電壓，只需更改組件值。這導(dǎo)致了規(guī)模經(jīng)濟(jì)以及對(duì)該特定設(shè)計(jì)的熟悉度。此外，隨著電壓軌要求的變化，可以以最小的電路變化和最大的信心適應(yīng)新值。

與效率一起，輸出電壓精度是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)。這需要在整個(gè)溫度范圍內(nèi)非常精確的內(nèi)部參考電壓。每個(gè) PoL 設(shè)計(jì)都必須具備啟用和電源良好輸出等標(biāo)準(zhǔn)功能。

包括 PoL 在內(nèi)的系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。隨著今天的負(fù)載在本質(zhì)上變得更加動(dòng)態(tài)和復(fù)雜，一個(gè)好的設(shè)計(jì)必須考慮到這種穩(wěn)定性。最先進(jìn)的 CoT 解決方案的限制之一是使用陶瓷電容器時(shí)穩(wěn)定性差。越來(lái)越多的現(xiàn)代系統(tǒng)僅使用陶瓷電容器來(lái)滿足成本、尺寸和可靠性目標(biāo)。這種電容器類型具有低等效串聯(lián)電阻 (ESR)，而且紋波信號(hào)通常太小，無(wú)法讓標(biāo)準(zhǔn) CoT 拓?fù)湓跊]有外部補(bǔ)償?shù)那闆r下正常工作。這通常需要外部紋波注入 (R+C) 和緩沖組件，以確保所有陶瓷電容器的穩(wěn)定性。另一種方法是添加一個(gè)內(nèi)部紋波仿真電路來(lái)克服這個(gè)限制，

保護(hù)要求任何系統(tǒng)的最佳衡量標(biāo)準(zhǔn)之一是其可靠性——尤其是在關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序（例如服務(wù)器、通信和存儲(chǔ)）的正常運(yùn)行時(shí)間方面。電力系統(tǒng)是這種可靠性的基本組成部分，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，許多保護(hù)功能現(xiàn)在被整合到現(xiàn)代控制器中。電力系統(tǒng)本身不應(yīng)該發(fā)生故障，但它需要保護(hù)系統(tǒng)的其余部分以及自身免受其他地方可能發(fā)生的故障的影響。為了輕松實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，選擇具有過(guò)流保護(hù)、熱關(guān)斷和預(yù)偏置啟動(dòng)等功能的控制器非常重要。特別是，具有多種設(shè)置的精確熱補(bǔ)償電流限制對(duì)于最小化電感器尺寸和成本至關(guān)重要。

硅的發(fā)展硅集成如何支持這一不斷發(fā)展的功能需求的一個(gè)例子是 IR MOSFET IPOL (IR3883) 高效 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，如圖2 所示。

圖 2：IR3883 控制器 IC 采用緊湊的 3 x 3-mm QFN 封裝。

這款緊湊、高度集成的器件提供超輕負(fù)載效率（包括待機(jī)功率）、CoT 操作和可編程性。它可以在寬輸入電壓范圍（2.5 至 14 V）下運(yùn)行，使其適用于大多數(shù) PoL 低電流應(yīng)用。它包括可靠 PoL 設(shè)計(jì)所需的所有功能和故障保護(hù)（啟用輸入、電源良好輸出、軟啟動(dòng)、預(yù)偏置啟動(dòng)、熱關(guān)斷）和非常精確的參考電壓 (0.5 V ±0.6%)輸出電壓精度。

這款具有集成 MOSFET 的多功能 PWM 控制器具有 3 x 3 毫米的小尺寸，能夠持續(xù)提供高達(dá) 3 A 的電流。它需要絕對(duì)最少的外部組件（見圖3），停機(jī)時(shí)消耗小于 10 μA，空載工作時(shí)消耗小于 200 μA，非常適合待機(jī)操作。

圖 3：IR3883 應(yīng)用圖顯示減少的組件數(shù)量。

通過(guò)兩種操作模式優(yōu)化效率。在強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式 (FCCM) 中，控制器作為同步降壓轉(zhuǎn)換器運(yùn)行，具有 800 kHz 的偽恒定開關(guān)頻率。在二極管仿真模式 (DEM) 中，同步 FET 在電感電流降至零時(shí)關(guān)閉，從而提高了輕負(fù)載效率。如圖?4所示，超低靜態(tài)電流可確保負(fù)載電流低至 10 mA 時(shí)的效率，是待機(jī)電源軌的理想選擇。

圖 4：在 DEM 中，IR3883 提供出色的低功耗效率——使其非常適合備用電源軌。

具有不同設(shè)置的熱補(bǔ)償內(nèi)部過(guò)流保護(hù)避免了過(guò)度設(shè)計(jì)電感飽和點(diǎn)的需要，從而允許選擇更小、更便宜的電感。強(qiáng)制連續(xù)電流模式的選項(xiàng)允許頻率降低可能成為諧波、拍頻和干擾問(wèn)題的應(yīng)用，例如多軌系統(tǒng)和通信應(yīng)用。

專有的 CoT 引擎可通過(guò)陶瓷電容器保持穩(wěn)定。無(wú)需外部補(bǔ)償，因此可以指定小型且低成本的 MLCC 電容器。能夠容忍電容的廣泛變化提供了更高的魯棒性，而專有的內(nèi)部斜坡補(bǔ)償進(jìn)一步降低了紋波，并允許電壓前饋在寬輸入電壓范圍內(nèi)保持環(huán)路響應(yīng)。這確保了在各種操作條件下的穩(wěn)定性，并且無(wú)需復(fù)雜的交流分析或波特圖。

IR3883 的引腳分配和占位面積也根據(jù)元件布局進(jìn)行了優(yōu)化，以便于布局和低噪聲（見圖5）。例如，電源接地和電源輸入電壓引腳彼此相鄰，以允許完美放置輸入電容器以實(shí)現(xiàn)最大輸入濾波。這簡(jiǎn)化了“完全全面”的簡(jiǎn)單方法的布局。

圖 5：IR3883 顯示了優(yōu)化的封裝和引腳布局，以便于布局和通過(guò)傳遞輸入電容。

分布式電源架構(gòu)自然適用于大型系統(tǒng)，并且非常廣泛地用于服務(wù)器、存儲(chǔ)、通信和消費(fèi)類應(yīng)用——在這些領(lǐng)域，整體系統(tǒng)效率至關(guān)重要，并且通常是制造商的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，DPA/PoL 架構(gòu)越來(lái)越多地用于工業(yè)設(shè)備和電信系統(tǒng)，其中增強(qiáng)彈性和效率的優(yōu)勢(shì)也受到重視。在所有這些領(lǐng)域，高集成度控制器的可用性簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并加快了上市時(shí)間，同時(shí)在任何負(fù)載水平上實(shí)現(xiàn)了效率目標(biāo)。

審核編輯 黃昊宇