集成式DC-DC转换器可节省分布式电源系统的空间和设计时间

传统的分布式电源架构采用多个隔离式 DC-DC 电源模块将 48V 总线电压转换为系统电源电压轨，例如 5V、3.3V 和 2.5V。然而，这种配置难以满足快速、低压处理器、DSP、ASIC 和 DDR 存储器的负载要求。此类器件对电源提出了严格的要求：极快的瞬态响应、高效率、更低的电压轨和更小的占位面积。

介绍

通过使用单个隔离式高功率DC-DC模块将48V转换为12V或更低的中间电源轨，可以获得更高的性能。然后将中间电压转换为特定负载所需的系统电压。这种电压转换可以通过非隔离的负载点电源实现，如图1右侧所示。集成开关稳压器非常适合第二级电源转换，因为所需的输入电压（≤12V）和输出电流（<10A）都相对较低。

图1.与传统的电信板配电架构（左侧）相比，集成开关稳压器架构（右侧）具有更高的效率和可靠性、更快的设计速度和更小的占位面积。

集成开关稳压器的优势

电子业务的许多领域，包括电力电子行业，都采用集成系统组件的策略，以降低总体成本，增强可靠性，并最大限度地减少印刷电路板上的宝贵空间。在过去的二十年中，电源管理IC制造商在生产集成隔离和非隔离DC-DC转换应用电源所需的许多功能块的器件方面做了大量工作。

集成开关稳压器将 DC-DC 开关转换器的 MOSFET、栅极驱动器和 PWM 控制器集成在单个封装中，这并不是一个新概念。新的是此类设备现在提供的增强的电流能力和增强的功能。它们非常适合现代电信板的分布式电源要求，这些要求需要紧凑的多负载点电源，以提供对动态负载的出色瞬态响应。

电信系统板电源的设计、开发和测试是该板开发时间的重要组成部分。除了PCB布局所需的时间外，电源开发的主要部分还包括解决与布局相关的问题。这些问题包括功率级布局不当、接地方案不正确、在承载快速变化电流和电压的电源走线附近布线敏感的模拟走线、无法为电压和电流检测提供开尔文连接、EMI 过高以及去耦电容器的位置。这些问题中的大多数可以追溯到在实施包含多个分立外部组件的电源时，布局错误的可能性更高。

相比之下，集成开关稳压器通过在器件内集成功率级（MOSFET和栅极驱动器）和电流检测来消除多个PCB互连，从而避免了许多布局问题。此外，集成开关稳压器的引脚配置旨在避免有关元件位置和接地的问题。集成开关稳压器通常具有紧凑、优化和经过测试的 PCB 布局，可缩短设计周期并缩短上市时间。

由于现代电信系统的环境要求更高的性能以及更小的尺寸和更少的占地面积，因此PCB空间越来越有价值。除了通过集成功率级和PWM控制器节省空间外，集成开关稳压器还可以在比分立元件替代方案更高的频率下工作，从而节省PCB面积。较高的开关频率允许物理上更小的输入/输出电容器、电感器和其他滤波元件。更高频率的操作还通过支持更高带宽控制环路的设计产生更快的负载瞬态响应。

电源转换效率是衡量电源性能的重要指标，也是使用开关电源而不是线性电源的主要动机。尽管开关稳压器的噪声和EMI水平较高，但情况确实如此。开关稳压器中的功耗由传导损耗组成，导通损耗与MOSFET的导通状态电阻（RDS（ON）），以及开关损耗，这与 MOSFET 在导通和关断状态之间转换的速度有关。在较高的工作频率下，开关损耗占主导地位，因为MOSFET开关转换每秒发生更多次。转换时间主要由打开和关闭MOSFET的栅极驱动电路中的阻抗决定。对于具有分立式MOSFET和栅极驱动器的电源，由于MOSFET引线电感和PC走线电感等寄生元件，栅极驱动阻抗在高频下更大。然而，集成开关稳压器通过将栅极驱动器和MOSFET组合在一个封装中，最大限度地减少了这些寄生元件，从而在高频下提供更快的转换时间和更高的效率。

热管理是大型系统电源设计中最关键的考虑因素之一。在负载点架构中，功率转换产生的热量分布在集成开关稳压器之间，而不是集中在一个电源模块中。集成开关稳压器的更高效率进一步减少了热量的产生。此外，集成开关稳压器通常采用带有裸露金属“焊盘”的热增强型封装，这些“焊盘”直接焊接到PCB上，并允许热通孔（直径为8至12 mil）将热量传递到内部接地层。（接地层通过将热量扩散到电路板中来消除笨重的散热器。最后，直接耦合到集成电源开关的热关断电路可保护器件在发生热失控时免受灾难性故障的影响，从而提高系统可靠性。

集成开关稳压器具有多种封装选项和宽输入电压范围（3V 至 12V）和输出电流（< 1A 至 10A）。低功耗版本采用 SOT、MSOP 和 TSSOP 等封装。高功率版本使用 QFN 和 BGA 等封装，可提供更高的功耗。

结论

集成开关稳压器是现代电信系统中间总线电源架构的理想选择。与基于分立式MOSFET、栅极驱动器和控制器的稳压器相比，它们的使用缩短了上市时间，节省了空间，提高了效率，简化了热管理，并产生了更好的可靠性。

审核编辑：郭婷