ZHCAA82B April   2017  – April 2021 CSD95490Q5MC , TPS40140 , TPS40322 , TPS40422 , TPS40425 , TPS40428 , TPS51631 , TPS53622 , TPS53631 , TPS53632 , TPS53641 , TPS53647 , TPS53659 , TPS53661 , TPS53667 , TPS53679 , TPS53681

 

  1. 1简介
  2. 2多相降压稳压器概述
  3. 3多相调节器的优点
    1. 3.1 输入电容减小
    2. 3.2 输出电容减小
    3. 3.3 热性能和效率改进
    4. 3.4 瞬态响应改善
  4. 4多相挑战
  5. 5多相位设计示例 - 元件选择
    1. 5.1 相位数
    2. 5.2 电感器
    3. 5.3 驱动器和功率 MOSFET
    4. 5.4 输入电容器
    5. 5.5 输出电容器
    6. 5.6 控制器
    7. 5.7 设计总结
  6. 6结论
  7. 7参考文献
  8. 8修订历史记录

驱动器和功率 MOSFET

在进行多相设计时,设计师在决定如何实现控制器、驱动器和功率 MOSFET 时有三种选择。表 5-2 总结了每种方案常见的优缺点。

  1. 用于控制器、MOSFET 驱动器和 FET 的分立式 IC
  2. 具有集成式驱动器和分立式 FET 的控制器
  3. 将 FET 和 IC 集成到一个 IC 封装中的无驱动器控制器

方案 1 具有更大的设计灵活性,前提条件是使用常见的封装尺寸,因为如果需求发生变化,FET 和驱动器可以轻松地进行交换。控制器会向每个驱动器 IC 发送一个 PWM 信号,然后将该信号转换为 MOSFET 的上下栅极驱动信号。此方案也会是价格最实惠的方案,因为单个 IC 本身既不是高度集成,也不复杂。然而,如采用完全分立式解决方案,则对驱动器 FET 组合进行优化是设计者的责任,这会增加设计的复杂性,并且时间受限时可能无法采用该方案。与集成度更高的解决方案相比,性能也更受 PCB 布局的影响,因为有更多的高功率节点、驱动信号和感测线与附加寄生元件一起路由。

方案 2 限制了工程师的设计自由度,因为驱动器与控制器配对,可能不适合驱动所有可行的 FET。它还要求控制器相对靠近相位,因为栅极信号不能长距离运行而不影响性能。与完全分立式解决方案相比,布局面积和复杂性取决于相位计数。随着相位计数的增加,控制器尺寸会膨胀,因为每个相位至少需要四个额外的引脚(上部栅极驱动器、下部栅极驱动器、相位感应和引导)。对于大于两相或三相的设计,如选择此方案要保持适当的布局很困难。可能根本无法找到一个通过集成驱动器支持高相位计数的控制器。将多个控制器堆叠在一起只会增加设计复杂度。

方案 3 提供了更简单的设计和布局,但 IC 的高度集成导致 BOM 成本较高。控制器和驱动器 FET IC 之间只发送 PWM 信号。无需栅极驱动信号路由。此方案还提供了更优的驱动器 FET 组合,具有极低的寄生,从而实现更高的效率并降低击穿机会。如果需要输入电流、输出电流和温度等参数的遥测数据,可以轻松地将这些特性添加到驱动器 FET 功率级中,而不需要额外的离散电路。

表 5-2 驱动器和 FET 实现概述
设计参数
方案 1 – 分立式解决方案

方案 2 – 控制器+具有 FET 的驱动器

方案 3 – 具有驱动器的控制器 +FET
灵活性平均平均
BOM 成本取决于相数
复杂性
密度取决于相数
性能平均平均

对于电流设计,方案 2 可以直接排除。不存在可以处理六个相位的控制器和驱动器封装,当控制器存在六个 PWM 输出时,堆叠多个控制器会增加不必要的复杂性。方案 1 看起来很有吸引力,因为它有可能降低 BOM 成本,但是布局驱动器、FET 和相关无源器件所需的 PCB 面积乘以六个相位会增加电路板面积,并且会提高其生产和组装成本。

选择方案 3 可减少总体元件数量,并实现更简单的电路板布局。http://www.ti.com/lsds/ti/power-management/buck-controller-external-switch-products.page#p2192=Multiple%20Outputs;Phase%20Interleaving选择了这一方案则无须再烦恼于为每个相位选择一对最优 FET 和驱动器(这个主题在单独的应用手册中有详细介绍,请参阅多相降压稳压器门户网站)。通过在芯片上集成所需的电路,选择一个智能功率级 为 PMBus 遥测提供支持。

本设计中需要考虑功率级的两个可能选项是 CSD95372AQ5M 和 CSD95490Q5MC。每一级的额定持续电流分别为 60A 和 75A,并支持所需的输入/输出电压,可在 600kHz 下切换,并具有内置的温度监视器引脚。这两个部分包含在低电感封装中以减少寄生,这些寄生可以影响稳态开关和瞬态响应。最后,两者都兼容 3.3V 和 5V PWM 信号,从而在选择控制器 IC 时具有更大的灵活性。

经过仔细检查,发现 CSD95490Q5MC 更适合为网络 ASIC 供电。由于集成的双向电流感应能力,无需 DCR 匹配或电阻检测滤波电路,消除了被路由回控制器的六个差分电流感应信号。但返回了一个放大的、单端每相电流感应信号。因为电流感应信号在功率级被放大,所以它不易被噪声和其他开关信号破坏,从而简化了电路布局。正确配置该部件只需要 LSET 引脚上的单个电阻值即可。此外,不再需要最小感应电阻器或 DCR 值来保持感应信号 SNR 足够高以精确平衡相电流,因此消除了少量的功率损耗。

更重要的是,在相同条件下,CSD95490Q5MC 的功耗比 CSD95372AQ5M 低得多。表 5-3在 33A (TDC) 和 40A(最大值)下计算功率损耗,并按照 中的显示,在以下条件下使用两个数据表中的损耗曲线:VIN = 12V、VOUT = 0.9V、fSW = 600kHz、L = 150nH, TJ = 100°C。由于 TDC 时每相损耗减少 1.4W,最大电流时每相损耗减少 3W,CSD95490Q5MC 是最佳选择。

表 5-3 每相功率级损耗计算
相电流CSD95490Q5MCCSD95372AQ5M
33A (TDC)3.36W4.71W
40A (MAX)4.56W7.54W