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　　本文主要探討了DC-DC應用中轉換器功率級選擇的影響。

　　先進嵌入式DC-DC轉換器的要求

　　許多工業系統,如測試測量設備,都需要嵌入式DC-DC轉換器,是因為這些應用所需的計算能力日益增加。這種計算能力由DSP 、FPGA 、數字ASIC 和微控制器 提供,而得益于工藝幾何尺寸的日益縮小,該類器件在不斷的進步。另一方面,這也帶來了三大要求：第一,電源電壓越來越低 (當然,還有容許的電壓紋波和負載變化);其次,電源電流逐漸變大;第三,這些IC 通常需要為內核和I/O結構以準確的順序提供單獨的電壓,以避免閂鎖現象的發生。

　　嵌入式DC-DC轉換器必須具有出色的效率。這類轉換器的可用空間很小,對于熱設計尤其具有挑戰性,因為嵌入式轉換器主要依賴PCB 上元件周圍的銅面積來改善系統熱阻抗。由于功耗與電流的平方成正比,隨著負載電流的增加,這種情形會更加惡化。因此這時需要低導通阻抗RDSON、低開關損耗的電源開關。不過鑒于器件的導通阻抗RDSON越低,寄生電容 乃至開關損耗就越高,最終功耗也越高,故必需進行一定的權衡取舍。嵌入式DC-DC轉換器的另一個主要要求是EMI必需低。這些轉換器產生的噪聲會對周圍的電路造成干擾,因而必須盡可能地小。不過,高速 (以降低開關損耗) 轉換大電流 (若負載所需) 不可避免地會產生很大的開關噪聲,包括傳導噪聲和輻射噪聲 (主要是磁場)。因此,必需特別關注功率級元件選擇和布局的優化,尤其是在驅動器連接方面。此外,PWM控制拓撲也有一定影響。

　　舉例來說,采用0.09μm技術的數字IC可能需要1.2V ± 40mV的電源電壓。根據該DSP的數據表,其電源電流可高達952mA。另一個例子是65nm工藝制造的大尺寸FPGA,1.0V +/-50mV電源電壓、85℃時,需要4.2 A的閑置電源電流。在工作模式下,按照具體配置情況,電流可增至18A,因在高開關頻率下,動態要求非常高。

　　這些應用中包含多個不同IC相當常見,譬如,由一個較小的微控制器 (電源電壓較高時) 來負責所有的接口和主機功能,利用一個較大的DSP或專用硬件來執行計算密集型功能。很多時候,還專門使用另有一套電壓要求的高性能A/D轉換器來改善噪聲性能,真正充分利用這些轉換器的分辨率和帶寬。這些趨勢催生出具有眾多相倚關系的復雜的功率管理系統。

　　模塊化控制提升系統設計

　　一個應用建議是把DC-DC轉換器盡可能靠近負載放置。這樣做可以把EMI降至最低、減小寬的大電流線跡所占用的板空間,并改進轉換器的動態特性。“分布式”功率管理系統應運而生,在這種系統中,所有轉換器都理想地彼此相連。能夠與其它轉換器在網絡中協同工作的一個控制器例子是FD2004,如圖1的模塊示意圖所示。

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　　FD2004是Digital-DC產品系列的一員,整合了數字環路控制和高集成度功率管理功能。這種控制器及其同系列產品,可通過SMBus (系統管理總線) 與主控制器和其它DC-DC轉換器相連接,輕松實現許多不同的功能,如轉換器的系統內配置、上電順序、余量功能 (margining)、故障保護以及系統監控。所有這些功能都有助于縮短上市時間,更重要的是,提高系統可靠性。

　　FD2004可以與外部柵極驅動器 (如FD1505) 和分立式MOSFET ,或是集成了驅動器與MOSFET的單封裝DrMOS產品協同工作。它還可以在獨立式應用中通過電阻 來編程—特別地,輸出電壓的最大值由電阻設定,且利用軟件命令設定的電壓最大值不得超過10%以上,以保護負載。在需要較大電流的應用中,如多相轉換器,所選的架構可實現多達8個相位的電流共享,而且可在輸出功率較低時實現切相 (phase shedding) 來保持高效率。該款控制器基于帶自適應性能算法和環路補償的數字控制環路,支持高達1.4MHz的開關頻率。時鐘同步可協助提升EMI性能。對于同時需要集成式驅動器和分立式外部MOSFET的應用,FD2006也是個不錯的選擇。

　　對輸出電流較低的系統電壓,集成式DC-DC轉換器值得推薦,此時,PCB面積和易于使用都是最重要的考慮因素。數字轉換器,如FD2106 (6A max),象Digital-DC系列的其它產品一樣具有通信功能,可與分立式MOSFET或基于DrMOS等能提供更大電流的轉換器一起使用。對獨立式應用而言,由于不需要與系統內其它轉換器連接,還可以采用集成式轉換器 (如飛兆半導體 的FAN2106)。

　　數字功率管理系統的控制器和轉換器鏈可通過圖形用戶接口來控制,很容易對所有參數和系統性能監控進行修正。這種軟件運行在PC機上,并經由USB接口與控制器連接。當參數全都良好時,它們被儲存在控制器的非易失性存儲器 中,這樣PC機就不再需要運行系統了。