負(fù)載點(diǎn)DC/DC轉(zhuǎn)換器的折衷方案和選擇標(biāo)準(zhǔn)

在當(dāng)今的電源管理產(chǎn)品市場上，非隔離型負(fù)載點(diǎn)（POL）DC/DC控制器是成長最快的區(qū)隔之一。POL DC/DC控制器的典型應(yīng)用包括電信交換機(jī)和光纖網(wǎng)絡(luò)、蜂窩通信基站、高端計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備以及諸如圖形卡、PC主板和42V汽車電池系統(tǒng)等其他市場機(jī)會(huì)。

面對為數(shù)眾多的不同POL轉(zhuǎn)換器選擇，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須對一些基本而又往往是相互矛盾的折衷方案進(jìn)行評估。所進(jìn)行的折衷全都圍繞著產(chǎn)品的面市時(shí)間、易用性、成本、效率和外形尺寸。目前，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師有三種基本的POL轉(zhuǎn)換器可以選擇：插入式模塊、帶有集成功率MOSFET的脈寬調(diào)制（PWM）轉(zhuǎn)換器以及專為驅(qū)動(dòng)外部MOSFET而設(shè)計(jì)的PWM控制器。

插入式模塊是一種由模塊供應(yīng)商設(shè)計(jì)、測試和檢驗(yàn)的完整電源。用戶只需簡單地將模塊插入系統(tǒng)主板即可。DC/DC轉(zhuǎn)換器是一個(gè)具有集成FET的單片控制器。此類解決方案通過免除選擇外部FET之需而使設(shè)計(jì)和電路板布局得以簡化，且一般來說更容易進(jìn)行補(bǔ)償。PWM控制器因其采用了可針對特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的外部FET而成為一種最為靈活的選擇方案。

一般而言，設(shè)計(jì)師采用模塊化POL解決方案將能夠?qū)崿F(xiàn)最快的設(shè)計(jì)時(shí)間，從而使產(chǎn)品能夠在最短的時(shí)間內(nèi)面市。在其他場合，對易用性和緊湊型設(shè)計(jì)的需求預(yù)示著應(yīng)采用一種帶有一個(gè)集成FET轉(zhuǎn)換器的分立解決方案。還有一些應(yīng)用可能對靈活性和成本有著極高的要求，這就需要采用一個(gè)帶外部功率開關(guān)的分立集成電路（IC）控制器。

非隔離型DC/DC IC市場上的眾多應(yīng)用運(yùn)用的是分布式電源架構(gòu)（DPA）。一根DC總線（一般為-48V）沿著位于一個(gè)大機(jī)架中的背板進(jìn)行分布。每個(gè)機(jī)架包含許多插卡，每個(gè)插卡都有多種DC電壓要求。一個(gè)用于專用插卡的通用系統(tǒng)架構(gòu)包括一個(gè)-48V至主插卡級(jí)電壓（3.3V、2.5V等）的隔離型DC/DC模塊。這種架構(gòu)需要采用輔助的非隔離型POL電源。DPA插卡上包容了各種各樣的元件（如DSP、存儲(chǔ)模塊、FPGA以及內(nèi)核和I/O邏輯器件），因而需要采用幾種不同的POL電源電壓（在0.5A至15A等電流條件下為2.5V、1.2V、1.0V和0.8V）。在該市場上，DC/DC轉(zhuǎn)換器所需具備的重要特征是易用、緊湊（經(jīng)常要考慮雙輸出電源和三輸出電源）、高效和廉價(jià)。

圖1示出了一種典型的插卡級(jí)分布式電源解決方案，它向插卡饋送一個(gè)分布式總線電壓（這里為-48V）。首要的要求通常是熱插拔保護(hù)。當(dāng)一塊印刷電路插卡被插入一個(gè)帶電背板時(shí)，電路板上的體電容會(huì)從機(jī)架電源吸收巨大的瞬態(tài)電流。如果沒有采用一些涌入電流保護(hù)措施，那么這些大電流就有可能損壞連接器插針和PCB走線。而且，形成的電壓尖峰還會(huì)損壞電路板上的有源和無源元件，并對系統(tǒng)中其他插卡上的敏感元件產(chǎn)生干擾。

圖1：典型的插卡級(jí)分布式電源解決方案

我們以專為避免發(fā)生這些常見問題而開發(fā)的熱插拔型電源管理IC（比如TPS2390/91）為例。這些IC采用了一個(gè)外部N溝道MOSFET和一個(gè)檢測元件，以便對在熱插拔期間供應(yīng)給系統(tǒng)插卡的電流進(jìn)行閉環(huán)控制。

轉(zhuǎn)換過程中的下一步是隔離型電源。大多數(shù)DPA系統(tǒng)要求在DPA總線電壓和專用插卡之間進(jìn)行電隔離。實(shí)施這種隔離是出于安全性和回流控制方面的考慮，旨在避免形成電流回路。

對于隔離型電源來說，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以選擇建立一個(gè)插卡級(jí)的分立解決方案。雖然在大容量應(yīng)用中這可能是一種更具成本-效益性的解決方案，但采用一個(gè)經(jīng)過全面檢驗(yàn)和測試的現(xiàn)成模塊卻常常能夠使一項(xiàng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品面市時(shí)間大為縮短。除了設(shè)計(jì)時(shí)間上的節(jié)省之外，采用一個(gè)模塊化的隔離型電源還能夠使安全代理核準(zhǔn)程序大為簡化。

全隔離模塊電源用于在-48V應(yīng)用中提供最大的靈活性和易用性。例如，PT4820/50模塊提供了三種低電壓輸出，使得用戶只需一個(gè)器件就能夠滿足大部分板級(jí)DC/DC要求。三輸出電源的一大優(yōu)點(diǎn)是能夠直接控制起動(dòng)和停機(jī)電源定序，從而使這一常常令人感到棘手的問題得到了解決。

然而，一塊電路板要求在一個(gè)插卡上具有6個(gè)（或更多的）DC-POL電壓的情況并不鮮見。即使是一個(gè)三輸出隔離型電源也極有可能需要由附加的POL轉(zhuǎn)換器提供輔助。對于板級(jí)電源設(shè)計(jì)師而言，同步DC/DC轉(zhuǎn)換器是另一種頗具價(jià)值的工具。通過將功率FET與PWM控制器加以集成的方法，設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)極為緊湊且易于使用的設(shè)計(jì)方案。如圖1所示，在SWIFT™系列同步DC/DC轉(zhuǎn)換器中，一種名為PowerPAD™的熱增強(qiáng)型封裝能夠在無需采用外部散熱器的情況下使效率有所提高。DC/DC轉(zhuǎn)換器難題的最終解決往往需要仰仗高效DC/DC控制器。成本、功耗、效率和電路板面積等方面相互抵觸的系統(tǒng)要求經(jīng)常只是簡單地需要借助一個(gè)外部FET控制器來增加靈活性。為了有效消除同步整流MOSFET體二極管中的導(dǎo)電現(xiàn)象，可采用一種名為Predictive Gate Drive™的新技術(shù)來對外部MOSFET的關(guān)斷和接通時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。該技術(shù)最多可把同步FET中的功耗減少40%，從而使效率和可靠性均有所提高，并降低了總體系統(tǒng)成本。

圖2示出了一種600kHz、3.3V至1.2V電源的完整電路板設(shè)計(jì)方案。整個(gè)設(shè)計(jì)所占用的板級(jí)空間尚不足1平方英寸，而輸送的負(fù)載電流卻高達(dá)5A。通過調(diào)整外部MOSFET的選擇，這一效率業(yè)已超過90%的設(shè)計(jì)方案將能夠提供更高的效率和/或負(fù)載電流。它還具備故障保護(hù)和啟動(dòng)功能。

圖2：基于TPS40003的同步DC/DC電源

面對所有這些復(fù)雜的選擇標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)今的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須配備品種齊全的DC/DC轉(zhuǎn)換器工具庫。由于系統(tǒng)各不相同，因此沒有哪個(gè)解決方案可以適合所有的應(yīng)用。成功的關(guān)鍵在于如何在眾多彼此矛盾的設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)之間尋求出一種不易達(dá)到的平衡。這往往需要把多種解決方案結(jié)合起來使用，即使在一塊專用電路板上也是如此。提供較高的靈活性不僅是系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要面對的挑戰(zhàn)，也是電源解決方案供應(yīng)商無法回避的課題。