如何实现简化和加快设计的小尺寸集成解决方案

作者：CECILIA CONTENTI高级营销经理英飞凌科技

开发高效负载点 (PoL) 调节方案，同时减少电路板空间是各种服务器、存储、通信和消费类应用的关键要求。此外，必须在更短的设计周期内设计、测试和实施此类 PoL 应用程序。为了应对这些挑战，工程师们越来越多地寻找可以帮助他们简化和加快设计的小尺寸集成解决方案。

PoL 电源的要求 PoL 转换器是电力系统架构向前迈出的重要一步。为了响应降低电压水平和增加电流要求的驱动力，PoL 是基于某种形式的分布式电源架构 (DPA) 的现代设计的关键推动者。

使用图 1 所示类型的 DPA 方法 带来了许多好处，包括消除单一的中心故障点。然而，PoL 真正证明其价值的地方在于，更高的母线电压可以一直使用到系统中需要转换的点，从而减少配电损耗。只有在这一点上，电源电压才会转换为负载（通常是处理器）所需的低电压、高电流轨。

图 1：典型的分布式电源架构。

“头条”效率通常是在更高的功率水平下测量的——通常是当系统以 70% 或更高的全输出运行时。然而，为了减少能源使用，现在许多系统都提供“睡眠”或“待机”模式，这是效率的新焦点。根据运行时间与睡眠时间的比率，待机效率可能是定义系统使用成本的关键驱动因素。

典型的设计挑战设计电力系统并非易事，通常被视为需要外包而不是“内部”处理的专业学科。然而，借助有据可查的现成架构，即使是非专业的电源设计人员也可以开发出领先的解决方案。

在大多数情况下，拓扑是降压转换器（通常称为降压转换器）。组件选择是关键，特别是对于将决定系统效率和性能的控制器和动力传动系组件。

随着电子系统变得更小或在与上一代相同的空间中封装更高的性能，电源方案的空间通常受到限制。因此，设计人员面临着提供更小、性能不断提高的电源解决方案的压力。因此，制造商被迫以越来越压缩的时间尺度和尽可能少的“旋转”来发布产品——最好是单次旋转。

噪声（或减轻噪声）对设计师来说仍然是一个持续的挑战。通常不可预测（尤其是分立设计），EMI/EMC 是初始设计失败的最常见原因之一，导致需要重新设计和重新测试电路板——延迟新产品的发布（和收入） .

简化 PoL 系统设计 简化 PoL 设计过程的最简单方法之一是使用由强大的应用程序文档支持的现成解决方案。遵循这种方法，设计人员可以利用 PoL 转换器制造商的大量研发投资。现成的解决方案还可以允许访问需要时间从第一原理开发的附加功能，同时显着降低从头开始设计的风险。关键是识别和选择一种“标准”技术，该技术提供足够的特性、性能和灵活性，使工程师能够以经济的总解决方案成本为给定的应用配置最佳解决方案。

最佳选项通常为设计人员提供全面的参考设计、应用说明和应用图表、典型工作波形、建议的组件列表，甚至 PCB 金属和组件布局图，为设计人员提供一种交钥匙设计方法。所有这些都降低了设计风险，加快了开发时间，并让设计人员相信解决方案第一次就正确。

这种向下设计提供了经济的解决方案成本，具有高水平的优化和集成，可以显着减少所需的外部组件数量。这也加快了上市时间并降低了空间需求和成本，因为需要做出的设计决策更少，需要寻找空间、采购、库存和放置的组件也更少。最终，这导致了一个优雅的技术和商业解决方案。

集成硅解决方案用于电源设计的集成硅解决方案可以追溯到大约 40 年前的 1970 年代中期，当时线性调节是正常的方法。此时，开关模式设计还处于起步阶段，并为少数人所理解——主要是在军事领域。随着第一个 PWM 控制器的出现，该技术被更多的设计人员使用并渗透到商业领域，尽管早期的控制器仍然需要用户的大量设计输入。随着时间的推移，越来越多的功能被集成到控制器中，为设计人员带来了更大的易用性，并为每个人提供了更多高级功能。主要由处理器的苛刻需求和“绿色能源”计划推动的持续创新导致了所谓的“智能能源”功能的结合。通常，控制器具有针对全功率和空载运行进行优化的多种运行模式。通过检测和响应负载的变化，控制器可以确保 PoL 始终以最佳效率运行。

由 PoL 设备供电的负载的性质也变得越来越复杂。例如，现代处理器中常见的动态功率负载对 PoL 提出了新的要求。解决此问题的一种流行技术是恒定导通时间 (CoT)，其中控制 FET 为输出电容器充电一段固定时间。CoT 技术提供良好的负载和线路瞬态响应，并且通常不需要外部补偿，从而实现更快、更轻松的设计。

许多 PoL 设备现在包含某些关键参数的可编程性，例如输出电压。从系统级的角度来看，这提供了简单性，因为相同的解决方案可用于复杂系统中的多个电压，只需更改组件值。这导致了规模经济以及对该特定设计的熟悉度。此外，随着电压轨要求的变化，可以以最小的电路变化和最大的信心适应新值。

与效率一起，输出电压精度是一个关键的设计参数。这需要在整个温度范围内非常精确的内部参考电压。每个 PoL 设计都必须具备启用和电源良好输出等标准功能。

包括 PoL 在内的系统稳定性至关重要。随着今天的负载在本质上变得更加动态和复杂，一个好的设计必须考虑到这种稳定性。最先进的 CoT 解决方案的限制之一是使用陶瓷电容器时稳定性差。越来越多的现代系统仅使用陶瓷电容器来满足成本、尺寸和可靠性目标。这种电容器类型具有低等效串联电阻 (ESR)，而且纹波信号通常太小，无法让标准 CoT 拓扑在没有外部补偿的情况下正常工作。这通常需要外部纹波注入 (R+C) 和缓冲组件，以确保所有陶瓷电容器的稳定性。另一种方法是添加一个内部纹波仿真电路来克服这个限制，

保护要求任何系统的最佳衡量标准之一是其可靠性——尤其是在关键任务应用程序（例如服务器、通信和存储）的正常运行时间方面。电力系统是这种可靠性的基本组成部分，为了实现这一点，许多保护功能现在被整合到现代控制器中。电力系统本身不应该发生故障，但它需要保护系统的其余部分以及自身免受其他地方可能发生的故障的影响。为了轻松实现这一点，选择具有过流保护、热关断和预偏置启动等功能的控制器非常重要。特别是，具有多种设置的精确热补偿电流限制对于最小化电感器尺寸和成本至关重要。

硅的发展硅集成如何支持这一不断发展的功能需求的一个例子是 IR MOSFET IPOL (IR3883) 高效 DC/DC 转换器，如图2 所示。

图 2：IR3883 控制器 IC 采用紧凑的 3 x 3-mm QFN 封装。

这款紧凑、高度集成的器件提供超轻负载效率（包括待机功率）、CoT 操作和可编程性。它可以在宽输入电压范围（2.5 至 14 V）下运行，使其适用于大多数 PoL 低电流应用。它包括可靠 PoL 设计所需的所有功能和故障保护（启用输入、电源良好输出、软启动、预偏置启动、热关断）和非常精确的参考电压 (0.5 V ±0.6%)输出电压精度。

这款具有集成 MOSFET 的多功能 PWM 控制器具有 3 x 3 毫米的小尺寸，能够持续提供高达 3 A 的电流。它需要绝对最少的外部组件（见图3），停机时消耗小于 10 μA，空载工作时消耗小于 200 μA，非常适合待机操作。

图 3：IR3883 应用图显示减少的组件数量。

通过两种操作模式优化效率。在强制连续导通模式 (FCCM) 中，控制器作为同步降压转换器运行，具有 800 kHz 的伪恒定开关频率。在二极管仿真模式 (DEM) 中，同步 FET 在电感电流降至零时关闭，从而提高了轻负载效率。如图 4所示，超低静态电流可确保负载电流低至 10 mA 时的效率，是待机电源轨的理想选择。

图 4：在 DEM 中，IR3883 提供出色的低功耗效率——使其非常适合备用电源轨。

具有不同设置的热补偿内部过流保护避免了过度设计电感饱和点的需要，从而允许选择更小、更便宜的电感。强制连续电流模式的选项允许频率降低可能成为谐波、拍频和干扰问题的应用，例如多轨系统和通信应用。

专有的 CoT 引擎可通过陶瓷电容器保持稳定。无需外部补偿，因此可以指定小型且低成本的 MLCC 电容器。能够容忍电容的广泛变化提供了更高的鲁棒性，而专有的内部斜坡补偿进一步降低了纹波，并允许电压前馈在宽输入电压范围内保持环路响应。这确保了在各种操作条件下的稳定性，并且无需复杂的交流分析或波特图。

IR3883 的引脚分配和占位面积也根据元件布局进行了优化，以便于布局和低噪声（见图5）。例如，电源接地和电源输入电压引脚彼此相邻，以允许完美放置输入电容器以实现最大输入滤波。这简化了“完全全面”的简单方法的布局。

图 5：IR3883 显示了优化的封装和引脚布局，以便于布局和通过传递输入电容。

分布式电源架构自然适用于大型系统，并且非常广泛地用于服务器、存储、通信和消费类应用——在这些领域，整体系统效率至关重要，并且通常是制造商的竞争优势。此外，DPA/PoL 架构越来越多地用于工业设备和电信系统，其中增强弹性和效率的优势也受到重视。在所有这些领域，高集成度控制器的可用性简化了设计并加快了上市时间，同时在任何负载水平上实现了效率目标。

审核编辑 黄昊宇