先进嵌入式DC-DC转换器的要求

带有Power56 MOSFET和SO-8驱动器的分立式解决方案的板卡占位面积在120mm2左右,而MCM只需要64mm2或36mm2。后者模块中的各个器件经精心挑选并全面优化,相比分立式解决方案其性能更高,热性能也更好 (图6和图7)。受电脑行业的推动,这种解决方案可使电流高达30A,并针对最高1MHz的开关频率优化。甚至在大电流设计中即使考虑到热设计规则,也无需散热器,因系统中空气流对于该芯片散热是足够的。

3.最终全集成开关将使功率级设计更迅速易行。除了Digital-DC系列的FD2106之外,FAN210x TinyBuck系列也可为3A FAN2103和6A FAN2106应用提供全集成同步降压功能 (图8)。

整个IC采用MLP封装,大小仅5x6mm,有助于设计的紧凑性,同时可实现最佳热性能和高效率。

更高的集成度乍看似乎会导致更高的材料清单 (BOM) 成本,但综合考虑所有的优势,如节省空间、热性能更好、无源元件更少等,事实上反而会降低最终的系统成本。这样一种全集成的解决方案还支持高系统可靠性,因为元件越少意味着故障风险越低,而且考虑到热设计规则,更低的系统温度也十分重要。

在设计任务中,热设计是非常重要的一环。利用现今的MOSFET、DrMOS或栅极驱动器,一般可获得相当好的结到管壳热阻抗,但管壳到周围环境的热阻抗取决于设计,且通常要高得多。在大多数系统中,若只利用PCB,热阻抗 (管壳到周围环境) 在40K/W左右,最好的设计能够达到25K/W 这仍比结到管壳热阻抗高很多,对MOSFET而言,后者的典型值为2K/W。因此,PCB的热设计非常重要,因为这两个热阻抗都是串联的,并影响PCB的最高温度,而这通常正是限制因素 (若结到管壳热阻抗低,结温就不可能比PCB的高太多)。

对于更大的电流,为了让热量扩散到更大的表面上,多相的分立式解决方案(如2-3个DrMOS器件) 是首选。另一个权衡是开关频率D如果不是因EMI要求或空间限制而预先确定 (利用更高的开关频率来减小无源元件的尺寸),更低的开关频率有助于降低开关损耗,并最终降低温度。

至于版图布局,金属较多显然很有助益。更厚的顶层有助于降低温度,不过也许对PCB的其余部分并不适合,因为成本增加了,其它元件需要的更精细的间距也不可能实现。更大的铜面积很有用,但又会消耗PCB空间。这些应该尽可能由焊料覆盖,因为金属表面比涂漆表面的散热性更好。在多层PCB中,有时利用内层来协助散热。热通孔 (填充焊料) 有时可用来把热量扩散到PCB的另一面去 (图9)。

对于强迫空气对流式的系统,元件布局时需注意的是,不要把转换器放在其它更大尺寸元件的“风阴影”里。建议把控制器置于MOSFET的上游,这样不会增加多少功耗,而在较低外壳温度下工作更可靠。

小结

现代嵌入式DC-DC转换器受益于众多不同的技术方案,能够提高系统性能和可靠性,并降低成本。在独立式转换器或互连数字转换器之间的控制端上,以及在集成式或分立式解决方案之间的功率级端上的相倚关系显示出,可以对工作在网络中的DC-DC转换器进行优化,并获得最低功耗。