ZHCAA82B April 2017 – April 2021 CSD95490Q5MC , TPS40140 , TPS40322 , TPS40422 , TPS40425 , TPS40428 , TPS51631 , TPS53622 , TPS53631 , TPS53632 , TPS53641 , TPS53647 , TPS53659 , TPS53661 , TPS53667 , TPS53679 , TPS53681
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。
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。
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 | 高 | 平均 | 平均 |
BOM 成本 | 低 | 取决于相数 | 高 |
复杂性 | 高 | 高 | 低 |
密度 | 低 | 取决于相数 | 高 |
性能 | 平均 | 平均 | 高 |
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。
相电流 | CSD95490Q5MC | CSD95372AQ5M |
---|---|---|
33A (TDC) | 3.36W | 4.71W |
40A (MAX) | 4.56W | 7.54W |