混合集成电路DC/DC变换器的设计与应用

liyf

传统的采用分离器件设计的电源变换电路具有很多缺点：电路设计与开发周期冗长；由于具有较高的寄生参数，电路性能较低；所设计电路具有较大的解决方案尺寸；器件选型困难；分离器件较多，系统电路存在可靠性问题。
但随着技术的不断发展，出现了混合集成电路设计的概念，从而克服了采用分离器件设计电路所存在的问题。混合集成电路DC/DC系统相对于传统的用分离器件设计的电源变换电路系统来说，具有高性价比、高可靠性、高速度、设计周期短等一系列的优点。
本文结合Fairchild公司设计的系列产品，对混合集成电路DC/DC变换器的设计原理、性能及应用等进行了分析研究。
混合集成电路DC/DC变换器的集成化设计方案
根据用户需求和设计的目的不同，Fairchild公司推出的混合集成电路DC/DC变换器主要采用两种设计方案。而每一种设计方案，电路的设计上又有细微的差别，可以满足不同用户的需要。
1 混合集成电路DC/DC变换器设计方案1
在混合集成电路DC/DC变换器中，内部电路集成了控制器、驱动器和MOSFET等三种离散器件。对于每一类产品，其内部电路设计采用的离散器件可以包括三种离散器件中的全部或部分，具体的设计可根据用户的实际需要进行设计。混合集成电路DC/DC变换器设计方案1的电路原理如图1所示。



图1  混合集成电路DC/DC变化器设计方案1

从混合集成电路DC/DC变换器设计原理图可以看出，该电路中主要包括控制器、驱动器和MOSFET等有源器件模块。在实际使用时，电源输出端需要外接电感、电容等器件对输出电压信号进行滤波；同时，输出的电压信号需要接到电路的反馈引脚上，以保证电路的正常工作。
采用本方案设计的混合集成电路DC/DC变换器含有控制器、驱动器和MOSFET等有源器件，其整机效率可以高达95%，电源变换系统性能高，相对于标准模块具有更高的性价比。
采用本方案设计的混合集成电路DC/DC变换器产品有FAN5029、FAN5069等。器件寄生效应低，输出电压纹波低，温度范围宽。
2 混合集成电路DC/DC变换器设计方案2
混合集成电路DC/DC变换器设计方案2是在一片混合集成电路DC/DC的设计中采用了两片专用或优化了MOSFET的同步bUCK电源转换拓扑结构，其电路原理如图2所示。



图2  混合集成电路DC/DC变化器设计方案2

采用方案2设计的混合集成电路DC/DC变换器中，两个MOSFET器件具有互补的作用，以降低开关损耗，而这两个器件的设计位置可根据设计者的实际需要进行布局。该芯片还内置直通保护电路，可以有效防止电路上下桥臂的直通，大大地提高了电路的可靠性。在驱动电路设计部分，不仅比常规的电源变换设计增加了驱动能力，减少MOSFET的开通关断损耗，还把boost-trap二极管也集成在芯片内部，以简化外部用户系统电路的设计。
DC/DC变换器的电压输出端需要外接电感和电容，对输出电压信号进行滤波，以满足用户系统电路的需要。变换器输出的电压信号需要接到芯片的反馈引脚上，以保证电路的正常工作。
采用此方案设计的混合集成电路DC/DC变换器产品有FDMF6700、FDMF8700等。器件中采用驱动集成电路加两个功率MOSFET的设计方法，寄生效应极低，输出电压纹波低，工作温度范围宽，且节省了大量的板空间。
接口设计
采用Fairchild公司DC/DC变换器方案设计的电源变换器具有较大的电压输入范围，可根据需要在3.3～24V之间调整，该公司DC/DC变换器的输出电流可达到30A，输出电压范围根据需要可设计为高到输入电压的90%或低到0.8V。
Fairchild公司的DC/DC变换器除了基本的电压输入、输出端口外，一般还有HDRV（上桥臂MOSFET驱动引脚）、LDRV（下桥臂MOSFET驱动引脚）、GLDO（门驱动信号引脚）、DISb（禁止信号引脚）、PWM（脉宽调制信号引脚）、bOOT（反馈信号引脚）等信号端口，具体到各型器件则会有微小的差异。
功耗情况
消费类电子产品由于使用环境以及自身条件的限制，用户对所选用器件的功耗要求非常苛刻，尤其是电源变换器等便携式设备。
以Fairchild公司的产品为例，其混合集成电路DC/DC变换器采用集成化方案设计，并力求减小MOSFET的开通关断损耗，整机效率可高达95%。由于该变换器具有较高的转换效率，因此内部电路热损耗低，在实际使用中只需要使用较小的散热器或不用散热器，从而可以降低系统电路的总体设计成本。
封装形式与尺寸
由于数码相机、摄像设备、媒体播放器、桌面电脑等电子设备的外型力求小巧，因此这类产品对内部电路设计中器件的选用也同样要求小巧而高效。
很多电源公司都采用了更小更薄的封装形式，以节省系统电路的设计空间。如Fairchild 公司的FAN5069采用TSSOP-16封装形式，尺寸仅为1.1mm×5mm×6.4mm；FDMF8700采用SMD封装形式，尺寸仅为0.8mm×8mm×8mm。
混合集成电路DC/DC变换器的在系统应用
混合集成电路DC/DC变换器在系统电路中应用时，需要提供必要的外接器件和控制信号。
在变换器的输入端，需要输入合适的控制信号及直流电压，以保证电路内部的各分离器件按设计的意图工作。同时，为了滤除输入电压信号上的噪声，建议在输入电压和地之间接入旁路电容，其容值应大于1μF。
在变换器的电压输出端需要接入合适参数的电感、电容，以滤除输出电压上的噪声。混合集成电路的输出电压需要通过自举电容接到电路的反馈引脚，以保证电路能够正常工作。
混合集成电路FDMF8700为Fairchild公司推出的采用混合集成电路设计方案2的一种产品，其特点有：输入电压典型值12V，开关频率最大可达500kHz，输出电流最大可达30A，器件内在的适应性门驱动，内部集成的自举二极管，器件最高效率大于90%，低压锁定，输出电压可禁止，采用微型SMD封装形式，产品制造使用无铅材料。FDMF8700电源变换器的典型应用电路如图3所示。



图3  FDMF8700电源变化器的典型应用电路图

图3的电路中，DISb端为输出禁止信号，可以方便地开关整个电源。PWM端为脉宽调制信号，用来驱动上桥臂和下桥臂的MOSFET，VIN和VCIN端为输入电压信号，VOUT端为输出电压信号，输出电压通过自举电容CbOOT反馈到变换器的bOOT端。详细电路设计请参照该芯片的技术说明书。
上图应用电路中输入信号和各外接器件参数的选取可根据用户实际需要来具体确定。
结语
本文以Fairchild推出的系列产品为例对混合集成电路DC/DC变换器的设计与应用进行了分析研究。
由于分散式电源系统需要重复布线，尤其是当电路中需要的低压直流电源种类较多，如+5V、12V等，则电源布线多而繁琐，混合集成电路DC/DC变换器的应用可以在单一母线电压（如+24V）供电的情况下，根据电路的实际需要，提供各种低压直流工作电源。
混合集成电路DC/DC的应用已涉及到各行各业，在普通消费领域、航空航天与汽车领域都得到了广泛的应用。