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混合集成電路DC/DC變換器的設(shè)計與應(yīng)用(圖)

出處:王曉明 發(fā)布于:2007-09-24 09:02:20

  傳統(tǒng)的采用分離器件設(shè)計的電源變換電路具有很多缺點(diǎn):電路設(shè)計與開發(fā)周期冗長;由于具有較高的寄生參數(shù),電路性能較低;所設(shè)計電路具有較大的解決方案尺寸;器件選型困難;分離器件較多,系統(tǒng)電路存在可靠性問題。


  但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,出現(xiàn)了混合集成電路設(shè)計的概念,從而克服了采用分離器件設(shè)計電路所存在的問題。混合集成電路DC/DC系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的用分離器件設(shè)計的電源變換電路系統(tǒng)來說,具有高性價比、高可靠性、高速度、設(shè)計周期短等一系列的優(yōu)點(diǎn)。


  本文結(jié)合Fairchild公司設(shè)計的系列產(chǎn)品,對混合集成電路DC/DC變換器的設(shè)計原理、性能及應(yīng)用等進(jìn)行了分析研究。

  混合集成電路DC/DC變換器的集成化設(shè)計方案


  根據(jù)用戶需求和設(shè)計的目的不同,F(xiàn)airchild公司推出的混合集成電路DC/DC變換器主要采用兩種設(shè)計方案。而每一種設(shè)計方案,電路的設(shè)計上又有細(xì)微的差別,可以滿足不同用戶的需要。


  1 混合集成電路DC/DC變換器設(shè)計方案1


  在混合集成電路DC/DC變換器中,內(nèi)部電路集成了控制器、驅(qū)動器和MOSFET等三種離散器件。對于每一類產(chǎn)品,其內(nèi)部電路設(shè)計采用的離散器件可以包括三種離散器件中的全部或部分,具體的設(shè)計可根據(jù)用戶的實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計?;旌霞呻娐稤C/DC變換器設(shè)計方案1的電路原理如圖1所示。

  圖1  混合集成電路DC/DC變化器設(shè)計方案1


  從混合集成電路DC/DC變換器設(shè)計原理圖可以看出,該電路中主要包括控制器、驅(qū)動器和MOSFET等有源器件模塊。在實(shí)際使用時,電源輸出端需要外接電感、電容等器件對輸出電壓信號進(jìn)行濾波;同時,輸出的電壓信號需要接到電路的反饋引腳上,以保證電路的正常工作。


  采用本方案設(shè)計的混合集成電路DC/DC變換器含有控制器、驅(qū)動器和MOSFET等有源器件,其整機(jī)效率可以高達(dá)95%,電源變換系統(tǒng)性能高,相對于標(biāo)準(zhǔn)模塊具有更高的性價比。


  采用本方案設(shè)計的混合集成電路DC/DC變換器產(chǎn)品有FAN5029、FAN5069等。器件寄生效應(yīng)低,輸出電壓紋波低,溫度范圍寬。


  2 混合集成電路DC/DC變換器設(shè)計方案2


  混合集成電路DC/DC變換器設(shè)計方案2是在一片混合集成電路DC/DC的設(shè)計中采用了兩片專用或優(yōu)化了MOSFET的同步BUCK電源轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其電路原理如圖2所示。

  采用方案2設(shè)計的混合集成電路DC/DC變換器中,兩個MOSFET器件具有互補(bǔ)的作用,以降低開關(guān)損耗,而這兩個器件的設(shè)計位置可根據(jù)設(shè)計者的實(shí)際需要進(jìn)行布局。該芯片還內(nèi)置直通保護(hù)電路,可以有效防止電路上下橋臂的直通,大大地提高了電路的可靠性。在驅(qū)動電路設(shè)計部分,不僅比常規(guī)的電源變換設(shè)計增加了驅(qū)動能力,減少M(fèi)OSFET的開通關(guān)斷損耗,還把Boost-trap二極管也集成在芯片內(nèi)部,以簡化外部用戶系統(tǒng)電路的設(shè)計。


  DC/DC變換器的電壓輸出端需要外接電感和電容,對輸出電壓信號進(jìn)行濾波,以滿足用戶系統(tǒng)電路的需要。變換器輸出的電壓信號需要接到芯片的反饋引腳上,以保證電路的正常工作。

 
  采用此方案設(shè)計的混合集成電路DC/DC變換器產(chǎn)品有FDMF6700、FDMF8700等。器件中采用驅(qū)動集成電路加兩個功率MOSFET的設(shè)計方法,寄生效應(yīng)極低,輸出電壓紋波低,工作溫度范圍寬,且節(jié)省了大量的板空間。


  接口設(shè)計


  采用Fairchild公司DC/DC變換器方案設(shè)計的電源變換器具有較大的電壓輸入范圍,可根據(jù)需要在3.3~24V之間調(diào)整,該公司DC/DC變換器的輸出電流可達(dá)到30A,輸出電壓范圍根據(jù)需要可設(shè)計為高到輸入電壓的90%或低到0.8V。


  Fairchild公司的DC/DC變換器除了基本的電壓輸入、輸出端口外,一般還有HDRV(上橋臂MOSFET驅(qū)動引腳)、LDRV(下橋臂MOSFET驅(qū)動引腳)、GLDO(門驅(qū)動信號引腳)、DISB(禁止信號引腳)、PWM(脈寬調(diào)制信號引腳)、BOOT(反饋信號引腳)等信號端口,具體到各型器件則會有微小的差異。

  功耗情況


  消費(fèi)類電子產(chǎn)品由于使用環(huán)境以及自身?xiàng)l件的限制,用戶對所選用器件的功耗要求非??量蹋绕涫请娫醋儞Q器等便攜式設(shè)備。


  以Fairchild公司的產(chǎn)品為例,其混合集成電路DC/DC變換器采用集成化方案設(shè)計,并力求減小MOSFET的開通關(guān)斷損耗,整機(jī)效率可高達(dá)95%。由于該變換器具有較高的轉(zhuǎn)換效率,因此內(nèi)部電路熱損耗低,在實(shí)際使用中只需要使用較小的散熱器或不用散熱器,從而可以降低系統(tǒng)電路的總體設(shè)計成本。


  封裝形式與尺寸


  由于數(shù)碼相機(jī)、攝像設(shè)備、媒體播放器、桌面電腦等電子設(shè)備的外型力求小巧,因此這類產(chǎn)品對內(nèi)部電路設(shè)計中器件的選用也同樣要求小巧而高效。


  很多電源公司都采用了更小更薄的封裝形式,以節(jié)省系統(tǒng)電路的設(shè)計空間。如Fairchild 公司的FAN5069采用TSSOP-16封裝形式,尺寸僅為1.1mm×5mm×6.4mm;FDMF8700采用SMD封裝形式,尺寸僅為0.8mm×8mm×8mm。

  混合集成電路DC/DC變換器的在系統(tǒng)應(yīng)用


  混合集成電路DC/DC變換器在系統(tǒng)電路中應(yīng)用時,需要提供必要的外接器件和控制信號。


  在變換器的輸入端,需要輸入合適的控制信號及直流電壓,以保證電路內(nèi)部的各分離器件按設(shè)計的意圖工作。同時,為了濾除輸入電壓信號上的噪聲,建議在輸入電壓和地之間接入旁路電容,其容值應(yīng)大于1μF。


  在變換器的電壓輸出端需要接入合適參數(shù)的電感、電容,以濾除輸出電壓上的噪聲?;旌霞呻娐返妮敵鲭妷盒枰ㄟ^自舉電容接到電路的反饋引腳,以保證電路能夠正常工作。


  混合集成電路FDMF8700為Fairchild公司推出的采用混合集成電路設(shè)計方案2的一種產(chǎn)品,其特點(diǎn)有:輸入電壓典型值12V,開關(guān)頻率可達(dá)500kHz,輸出電流可達(dá)30A,器件內(nèi)在的適應(yīng)性門驅(qū)動,內(nèi)部集成的自舉二極管,器件效率大于90%,低壓鎖定,輸出電壓可禁止,采用微型SMD封裝形式,產(chǎn)品制造使用無鉛材料。FDMF8700電源變換器的典型應(yīng)用電路如圖3所示。

  圖3的電路中,DISB端為輸出禁止信號,可以方便地開關(guān)整個電源。PWM端為脈寬調(diào)制信號,用來驅(qū)動上橋臂和下橋臂的MOSFET,VIN和VCIN端為輸入電壓信號,VOUT端為輸出電壓信號,輸出電壓通過自舉電容CBOOT反饋到變換器的BOOT端。詳細(xì)電路設(shè)計請參照該芯片的技術(shù)說明書。


  上圖應(yīng)用電路中輸入信號和各外接器件參數(shù)的選取可根據(jù)用戶實(shí)際需要來具體確定。


  結(jié)語


  本文以Fairchild推出的系列產(chǎn)品為例對混合集成電路DC/DC變換器的設(shè)計與應(yīng)用進(jìn)行了分析研究。


  由于分散式電源系統(tǒng)需要重復(fù)布線,尤其是當(dāng)電路中需要的低壓直流電源種類較多,如+5V、12V等,則電源布線多而繁瑣,混合集成電路DC/DC變換器的應(yīng)用可以在單一母線電壓(如+24V)供電的情況下,根據(jù)電路的實(shí)際需要,提供各種低壓直流工作電源。


  混合集成電路DC/DC的應(yīng)用已涉及到各行各業(yè),在普通消費(fèi)領(lǐng)域、航空航天與汽車領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。


  
關(guān)鍵詞:混合集成電路DC/DC變換器的設(shè)計與應(yīng)用(圖)FAIRCHILDMOSFETDC/DC0.8MMFAN5069FDMF8700TSSOP-16

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