单芯片大电流同步降压方案助力简化电源设计
当今半导体技术的发展, 使得系统芯片的电压越来越低, 与此同时, 所消耗的电流越来越大. 而纵观各种电子产品设计,小型化和高效率(特别是电池供电设备)是各位电子工程师所面 临的一个挑战.芯片的集成度越来越高,很多系统是由一个主芯片,外加一些接口电路,以 及外围电源组成, 因此如何很好的解决系统的电源问题已经成为了系统成败的又一个关键因 素. 在一般系统中,板载电源都是降压型的,将主电源转换为系统所需的不同电源.可以用线性 的方式或者是开关电源的方式实现电源的转换. 由于低电压大电流的需求, 线性电源的应用 将受到极大的限制.而在降压开关电源中,分为同步和非同步的方案.在相对的小电流,低 压差的情况下,非同步以其价格便宜,效率较高,容易使用的特点深受电源工程师的欢迎. 但是,在大电流和/或者高压差的情况下,该方案同样存在效率低下发热高的特点,因而同 步整流成了该情况下唯一的选择. 与传统的降压同步方案不一样, 目前已经有越来越多的功率半导体厂商推出了单芯片的同步 降压解决方案,集成了上边和下边 MOSFET,外部只需要一个电感及相应的控制线路,极 大的简化了设计. 比如 Sipex 公司的推出的 PowerBlox 系列 (图 1)将两颗高性能的 MOSFET . 和控制芯片封装在 4mm×7mm 的 DFN26 的小封装内,输出电流有 3A,6A 和 8A,马上会推 出高达 12A 的芯片,工作频率从 300KHz- 600KHz- 900kHz- 1300KHz 可选择.
图1 PowerBlox 系列不仅仅极大的减小了 PCB 的面积,简化了电源工程师的设计.而且由于多 芯单一封装极大的减小了传统分立方案中的寄生电感, 其性能也得到了很大的改善, 对其实 现高达 95%的效率有很大的帮助.下面就简单介绍一下传统同步降压中的寄生电感对电路 的影响,最后还简单介绍一下 PowerBlox 的补偿结构. 在传统的同步减压电路中, 我们外加 MOSFET (结构参考图 2) 根据 MOSFET 的不同规格, , 电流支持可以从几安到十几安,对于更大的电流,可以考虑使用多相控制技术.
图2
在频率较高,电流较大的情况下,图 2 中的电路将不能忽视其寄生参数的存在,包括元器件 的封装,电源板的布线等.在长比宽大于 5:1 的走线中,开始考虑寄生电感的存在,这些电 感会影响到电源的工作.图 2 的电路可以等效为图 3 的线路.
图3 1. 在这种电路中,MOSFET 的驱动环路将产生 EMI,该环路的大小决定了 EMI 的强度, 小的驱动环将减少电源这部分的 EMI. 2. 图中的 L2,L3,L4,L5,L6 都是驱动端线路的寄生电感.在开关电源的设计中,我们都需要 将驱动线路的长度尽可能的减少,以减少线路的寄生电感,从而减少信号的震荡 (V=L*dI/dt) .这里将对驱动线路中的寄生电感对驱动的作用进行仿真. 一般对于 MOSFET 各种封装以及焊接所引入的电感值可以参考下图.D2Pak 封装达到了将 近 6nH, 考虑到控制芯片的封装以及 PCB 走线的寄生参数,我们选择 L2,L3,L4 为 8nH, 而 考虑到 MOSFET 源极的大面积 PCB 面积以及更多的 bonding, L6 为 1nH, 而为了方便考虑, 这里将忽视 L5 的影响.
图4 仿真原理图如下:
R1 1
12.00V
R2
12.00V
V1 12Vdc
12.00V
81.01uV
R3 10
V2
1 81.01uV L2
2 81.01uV
81.01uV
0.02
M1 IRF540 12.00V
R4 4.7k
C1 22u
8nH
S
Implementation = Driv er
0
0
8nH
2
81.01uV
L3
1 81.01uV
1
2
L1
2.2uH
81.01uV
1
0V R7 2
2

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