DC/DC转换器空间受限的解决方案

世界正在缩小，而相应的电子设备也随之缩小，随着电路功能的增强和密度的提高，PCB的占位面积成为首要的元素。PCB主要被应用的核心功能元件，如微处理器、FPGA、ASIC及其相关的高速数据路径和支持元件所占用。必需的，然而却是人们不想要的供电电源被强制压缩到剩下的有限空间里。此外，随着功能性和密度的提高，功耗势必会相应的增长。具有同等重要性的另一因素是易于设计及其鲁棒性。这些就为电源设计者带来了一个挑战，即如何在有限的区域提供更多的电源，同时保证一个通用而简单的设计。

尽管如此，这恰恰是赋予IR第三代负载点 (POL) 集成型稳压器设计者的任务。他们完成了一系列集成了MOSFET的DC-DC步降式降压转换器，满足1A至25A宽范围的电流输出。

这一解决方案凝聚了三个领域的创新：IC开关稳压器电路设计、高效MOSFET和IC封装。首先，为了允许将开关频率增加到1MHz或更高，同时仍然在高输入电压比如12V下运行，我们设计了一个新的专利型调制器模块，可以产生极小的无抖动的开通脉冲。例如，将12V输入电源转换为1V输出电压，开关频率为1MHz,脉冲宽度仅为83ns,因而只能承受非常小的抖动。

而标准的PWM方案通常具有大约30-40ns的抖动，因而在这种应用条件下不可用。图1a清楚地说明了这一点，在一个标准的转换器中脉宽的抖动引起脉宽跳变进而导致输出纹波过大。与此相反，图1b中显示，第3代的SupIRBuck中采用的专利型PWM调制器，在相同的条件下，提供了干净的、得到良好控制的输出纹波。在第3代的SupIRBuck系列内的PWM调制器仅产生了4ns的抖动，相比于标准的解决方案(图2)减少了90%.这就带来了双重效益，即将输出电压纹波降低大约30%,并且允许在1MHz或更高频率/更高带宽下运行，以实现更小的尺寸，更好的瞬态响应，及更少的输出电容。

图 1: 1MHz、16Vin、0.7Vout应用条件下，输出纹波性能(a)标准转换器(b)IR第三代SupIRBuck

图 2: 脉宽抖动对比

新产品家族集成了IR公司的功率MOSFET及一个内部产生的6.8V栅极驱动。这就使得第三代SupIRBuck系列产品，无需任何额外的外部电路，即可以获得市场领先的效率(图3)，优于通常将栅极驱动限定在5V的传统解决方案。

图 3: 5V和6.8V栅极驱动的效率比较

采用标准封装技术进行散热，对于在1A -16A电流范围的小功率电流轨而言是足够的。然而，对于高功率轨，如25A电流，为了实现市场领先的散热性能，例如温升低至50oC同时还要提供25A的电流时，IR采用了专用的封装(图4)。同步MOSFET翻转成为“源极向下 (Source down) ”放置，而控制MOSFET保持着传统的“漏极向下 (drain down) ”放置。大部分热量在同步MOSFET的源极产生，因而能够立即传导出封装，并传导到接地层，而不是像竞争解决方案那样通过硅片来传导。控制MOSFET的源极是由一个单独的铜夹连接到同步MOSFET的漏极，而铜夹又与开关结点相连。这将有助于从控制MOSFET传导热量并在MOSFET和开关结点之间提供极低的电气连接阻抗。

图 4: 专利型封装为IR3847 (25A) 提供最大的导热导电性

由于采用铜夹的新型增强散热型封装，和高于1MHz开关频率的创新控制技术，以及IR最新一代的12.5 MOSFET,IR3847可在25A的电流下工作而不需要任何散热器，而且，与采用控制器和功率MOSFET的分立式解决方案相比，PCB的尺寸缩减了70%.目前，使用IR3847,一个完整的25A电源解决方案可以在小达168 mm2的面积内实现。(图5)

图 5: 利用IR3847 (25A) 实现的PCB缩减