淺談如何實現高性能且高密度高電流的POL設計

　　所有的電子產品都像這個世界一樣正在不斷縮小。隨著電路功能和整合度的提高，PCB板的空間變得彌足珍貴。主要的板空間要分配給應用的核心功能，這些應用包括微處理器、FPGA、ASIC以及與其相關的高速數據通道和支援元件。雖然設計者并不想這樣做，但是電源卻必須壓縮到剩下的有限空間之內。功能和密度的增加，耗電也相應增加。這為電源設計者帶來了很大的挑戰──即如何以更小的佔位提供更高的電源？

　　答案說起來非常簡單：提升效率并同時提高開關頻率。但實際上，這卻是一個很難解決的問題，因為更高的效率和更高開關頻率是互相排斥的。儘管如此，國際整流器公司（IR）IR3847大電流負載點（POL）整合穩壓器的設計人員們開發出採用整合型MOSFET的DC-DC降壓轉換器，可在一個緊密的5×6 mm封裝中（如圖1），將IR第叁代SupIRBuck系列的額定電流擴展到25A。

　　圖1： IR3847 5x6 mm QFN封裝

　　這一解決方案拉抬了叁個領域的共同創新：IC封裝、IC開關穩壓器電路設計和高效MOSFET。由于最新的熱增強型封裝採用銅片，控制器中的創新針對大于1MHz開關頻率的控制器和IR的最新一代──12.5代MOSFET，IR3847可在無散熱器的情況下，在25A的電流下運作，與採用控制器和功率MOSFET的獨立式解決方案相較，又將PCB的尺寸縮減了70%。利用IR3847（圖2），在一個小至168mm2的面積內，現在能實現完整的25A電源解決方案。

　　圖2:PCB面積縮減

　　開關頻率可提高到1MHz或者更高，但仍要採用高輸入電壓（如12V），因而需要一款新的專利型模組架構，產生極小的導通時間脈衝。例如，將輸出功率從12V轉換至1V的1MHz設計，必須具有83ns的脈衝寬度，這樣就可以容許極小的抖動。在這些條件下，標準的PWM機制通常會產生30~40ns的抖動，對于這些應用而言，這樣的抖動時間是沒有意義的。IR3847內的PWM調節電路僅產生4ns的抖動，與標準解決方案（圖3）相比更縮減90%，因而實現了雙贏，即將輸出電壓紋波降低約30%的同時，也達到了1MHz或更高的頻率/更高寬度的作業，實現更小的尺寸、更好的瞬態響應，以及採用更少量的輸出電容。

　　圖3：抖動比較

　　新款元件整合了IR公司最新一代的功率MOSFET，從而為具有15A~25A的應用取得更佳的電子性能，其峰值效率高于96%。為了達到更好的散熱性能，例如，在提供25A的電流時，溫度僅僅上升50°C的低值，因而採用該公司獨有的封裝（圖4）。同步MOSFET轉換到‘源極在下’配置，同時控制MOSFET卻保持著傳統的‘汲極在下’配置。大多數的熱量是在同步MOSFET源中產生的，并且立即傳導出封裝，并降至底平面，而不是像競爭解決方案一樣得經過晶片，因而有助于從控制MOSFET中傳熱，并同時降低MOSFET間開關結點間的連接電阻。

　　圖4： 專利型封裝將熱傳導和電子傳導最大化

　　作為第叁代SupIRBuck中的一員，這些元件符合工業市場中-40℃至125℃的工作結溫要求。它可能針對單輸入電壓（5V~21V）作業進行配置，或者當提供5V的外部偏壓時，將輸入功率從1V轉換至21V。IR3847具有后部封裝高精度死區時間微調功能，將效率損耗降至最低，而且內部智慧LDO可實現整個負載範圍上的效率最佳化。真正的差分遠程檢測對于大電流應用（圖5）至關重要，在25℃至105℃的溫度範圍內實現0.5%的基準電壓精度，輸入前向和超低抖動相結合，可實現整個線壓、負載和溫度高于3%的整體輸出電壓精度。

　　其他先進特性還包括外部時脈同步、定序、追蹤、輸出電壓容限、預偏壓啟動性能、實現輸入電壓感知、可調節OVP接腳和內部軟啟動。IR3847還具有採用專業檢測接腳（VSNS）的真正的輸出電壓檢測。因此，提供了一個強勁的解決方案，可以確保在所有條件下為輸出電壓進行監測，特別是出現反饋線纜斷開的情況，否則，就會導致在傳統競爭產品出現的嚴重的過壓問題。

　　除此之外，還要關注對于佈局的簡化，并使設計更加強勁以免受雜訊的干擾。例如，透過對接腳輸出進行最佳化，實現對于旁通電容器實現簡易的佈置，并透過叁線接腳選擇電流限度，因而降低對于晶片的雜訊注入并節省了電容器，最終簡化了佈局。

　　利用帶有真正差分遠程檢測功能的大電流IR3847，IR解決了受到散熱和空間限制的高密度和大電流應用方面的挑戰。當與標準的獨立式解決方案相比時，IR3847將PCB佔位空間降低了70%，僅要求具有168mm2的PCB佔位面積，以提供25A的電流并在負載端的右側，總輸出電壓精度提高了3%。競爭元件一般僅具有5%或更低的精度。透過為脈衝寬度的抖動時間大幅度降低50ns，IR3847實現了更高的閉環頻寬，最終實現更佳瞬態響應以及更低的輸出電容。

　　圖5：差分遠端檢測