电源管理：满足复杂DC-DC功率转换要求

引言
在测试测量设备或嵌入式计算等工业应用中，嵌入式DC-DC转换器的系统架构可能相当复杂，在输出电压和电流、纹波、EMI及上电顺序等许多不同方面都有相关要求。本文主要探讨了DC-DC应用中转换器功率级选择的影响。
先进嵌入式DC-DC转换器的要求
许多工业系统，如测试测量设备，都需要嵌入式DC-DC转换器，是因为这些应用所需的计算能力日益增加。这种计算能力由DSP、FPGA、数字ASIC和微控制器提供，而得益于工艺几何尺寸的日益缩小，该类器件在不断的进步。另一方面，这也带来了三大要求：第一，电源电压越来越低（当然，还有容许的电压纹波和负载变化）；其次，电源电流逐渐变大；第三，这些IC通常需要为内核和I/O结构以准确的顺序提供单独的电压，以避免闩锁现象的发生。
嵌入式DC-DC转换器必须具有出色的效率。这类转换器的可用空间很小，对于热设计尤其具有挑战性，因为嵌入式转换器主要依赖PCB上元件周围的铜面积来改善系统热阻抗。由于功耗与电流的平方成正比，随着负载电流的增加，这种情形会更加恶化。因此这时需要低导通阻抗RDSON、低开关损耗的电源开关。不过鉴于器件的导通阻抗RDSON越低，寄生电容乃至开关损耗就越高，最终功耗也越高，故必需进行一定的权衡取舍。嵌入式DC-DC转换器的另一个主要要求是EMI必需低。这些转换器产生的噪声会对周围的电路造成干扰，因而必须尽可能地小。不过，高速（以降低开关损耗）转换大电流（若负载所需）不可避免地会产生很大的开关噪声，包括传导噪声和辐射噪声（主要是磁场）。因此，必需特别关注功率级元件选择和布局的优化，尤其是在驱动器连接方面。此外，PWM控制拓扑也有一定影响。
举例来说，采用0.09μm技术的数字IC可能需要1.2V±40mV的电源电压。根据该DSP的数据表，其电源电流可高达952mA.另一个例子是65nm工艺制造的大尺寸FPGA，1.0V +/-50mV电源电压、85℃时，需要4.2 A的闲置电源电流。在工作模式下，按照具体配置情况，电流可增至18A，因在高开关频率下，动态要求非常高。
这些应用中包含多个不同IC相当常见，譬如，由一个较小的微控制器（电源电压较高时）来负责所有的接口和主机功能，利用一个较大的DSP或专用硬件来执行计算密集型功能。很多时候，还专门使用另有一套电压要求的高性能A/D转换器来改善噪声性能，真正充分利用这些转换器的分辨率和带宽。这些趋势催生出具有众多相倚关系的复杂的功率管理系统。
模块化控制提升系统设计
一个应用建议是把DC-DC转换器尽可能靠近负载放置。这样做可以把EMI降至最低、减小宽的大电流线迹所占用的板空间，并改进转换器的动态特性。"分布式"功率管理系统应运而生，在这种系统中，所有转换器都理想地彼此相连。能够与其它转换器在网络中协同工作的一个控制器例子是FD2004，如图1的模块示意图所示。

FD2004是Digital-DC产品系列的一员，整合了数字环路控制和高集成度功率管理功能。这种控制器及其同系列产品，可通过SMBus （系统管理总线）与主控制器和其它DC-DC转换器相连接，轻松实现许多不同的功能，如转换器的系统内配置、上电顺序、余量功能（margining）、故障保护以及系统监控。所有这些功能都有助于缩短上市时间，更重要的是，提高系统可靠性。
FD2004可以与外部栅极驱动器（如FD1505）和分立式MOSFET，或是集成了驱动器与MOSFET的单封装DrMOS产品协同工作。它还可以在独立式应用中通过电阻来编程-特别地，输出电压的最大值由电阻设定，且利用软件命令设定的电压最大值不得超过10%以上，以保护负载。在需要较大电流的应用中，如多相转换器，所选的架构可实现多达8个相位的电流共享，而且可在输出功率较低时实现切相（phase shedding）来保持高效率。该款控制器基于带自适应性能算法和环路补偿的数字控制环路，支持高达1.4MHz的开关频率。时钟同步可协助提升EMI性能。对于同时需要集成式驱动器和分立式外部MOSFET的应用，FD2006也是个不错的选择。
对输出电流较低的系统电压，集成式DC-DC转换器值得推荐，此时，PCB面积和易于使用都是最重要的考虑因素。数字转换器，如FD2106 （6A max），象Digital-DC系列的其它产品一样具有通信功能，可与分立式MOSFET或基于DrMOS等能提供更大电流的转换器一起使用。对独立式应用而言，由于不需要与系统内其它转换器连接，还可以采用集成式转换器（如飞兆半导体的FAN2106）。
数字功率管理系统的控制器和转换器链可通过图形用户接口来控制，很容易对所有参数和系统性能监控进行修正。这种软件运行在PC机上，并经由USB接口与控制器连接。当参数全都良好时，它们被储存在控制器的非易失性存储器中，这样PC机就不再需要运行系统了。