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复杂DC-DC功率转换要求

作者:来源: 日期:2019-09-06 16:28:11

 满足复杂DC-DC功率转换要求

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Z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。
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。
 

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