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完全集成的直流-直流转换电源IC器

在不久的过去,电源的几乎每个组件都是一个分立单元,从控制器电源IC到MOSFET以及周围的一切。仅仅布置电路板是困难和耗时的,设计中的任何更改都会在重新设计过程中引起头痛。此外,设计人员不得不担心将控制器与栅极驱动IC(也必须定制设计)以及磁性元件耦合。电源设计的下一阶段是将控制器、栅极驱动和MOSFET集成到单个硅芯片中,这要简单得多。然而,人们仍然必须将此芯片连接到外部电感器,这在历史上太大而无法集成。

电感器尺寸是工作频率的函数。显然,制造足够小的电感器以集成在芯片上的关键是增加转换器的开关频率。通过最近在MOSFET设计方面的专有创新,上升和下降时间特性的显着改进使开关频率比目前可用频率提高了一个数量级。由此导致所需电感和元件尺寸的下降提供了设计突破,使电感器能够完全集成到电源IC封装中。

将电感器引入封装内部的障碍是其价值。通常,如果电源以500kHz至1MHz的频率运行,则需要一个相当大的电感器。但是,如果调高频率,使功率级(控制器、栅极驱动、MOSFET)能够承受高频并保持高效,则电感器尺寸可能会减小。提高频率的挑战是随着频率的上升而保持整个转换器效率的能力。实现这一目标的回报是DC-DC转换器的尺寸大大缩小。

 

做数学运算

以下几点提供了降压转换器电感器的物理尺寸与其开关频率之间相关性的一阶经验推导。

第1点:尺寸是电感的函数。

电感器的电感值是元件物理参数的函数:N=线圈匝数,A=磁芯横截面积,l=磁芯的磁路长度:

通常,磁芯的A/l值与其大小成正比。减少匝数N或A/l值的能力取决于降低必要的电感值,L(μ是磁性材料的磁导率常数)。

第2点:产生电压所需的电感与开关频率成反比。

对于给定的电流和电压,所需的电感值L由基本方程推导出来:

 

(公式1)

其中V=输出电压,Δt=关断时间,Δi=通过电感的纹波电流。上述公式来自法拉第定律,并假设电感电流的斜率在关断时间内是一个常数。电感器求解:

 

(公式2)

通常,纹波电流Δi在设计中固定为满载输出电流的一定百分比。对于给定的纹波电流和输出电压V,焦点通过较短的开关周期降低关断时间Δt,从而降低必要的L值。因此,MOSFET开关周期的缩短(频率的增加)是降低所需感应L的数学关键。

第3点:MOSFET功耗随开关频率而上升。

MOSFET开关频率增加的极限可以在MOSFET半导体设计的物理特性中找到。

当MOSFET关闭时,其两端有电压,但几乎没有任何电流流过它。当它接通时,电流流过它,但两端的电压很小,导致导通损耗,这与工作频率无关。MOSFET在开/关和关/开开关转换期间发生的能量损失是MOSFET中同时存在大量电流和电压的结果。这称为开关损耗,转换器的每个开关周期都会发生两次。对于每个开关跃迁,损失的能量Es由以下表达式给出:

 

(公式3)

其中T1是开/关或关/开切换转换的持续时间。

它认为,开关发生的频率越高,消耗的总能量就越多——开关损耗随着频率的增加而增加。

为了简化讨论,我们假设导通和关断转换期间损失的能量彼此相等,并且两个转换时间都等于T1。因此,总开关功率损耗Ps由下式给出:

 

(公式4)

其中1/Ts是频率。该方程表明,对于过渡期间给定的V和I特性,功率耗散Ps随着频率1/Ts的上升而上升。

第4点:缩短上升/下降时间允许更高的开关频率,而不会产生不可接受的功率损耗。

公式3显示了在任何特定转换期间(即MOSFET打开或关闭时)消耗的能量。由于半导体设计创新允许更短、更高效的T1倍,因此过渡期间的功耗得以降低。相应地,随着T1的下降,频率可以上升而不会损害功耗。

通过创建具有高效T1转换时间的MOSFET,能够将开关频率提高到5MHz至10MHz,并将所需的电感L降低一个数量级,从而将电感的物理尺寸减小到可以集成在控制器封装内的尺寸。较高开关频率的另一个优点是可以增加环路带宽,从而比以前的低频DC-DC转换器产生更快的瞬态响应。这种高频设计实现了超过700kHz的环路带宽。

为了实现更快的过渡时间,使用了横向MOSFET技术而不是沟槽技术。沟槽和横向MOSFET之间的差异主要在于寄生电容的降低,这些寄生电容被换成导通电阻。我们的设计针对需要高速转换的特定应用进行了优化。优化过程很长,并且受到许多半导体工艺步骤和器件设计考虑因素的影响,例如每个加工步骤的在线良率,以及所需的器件可靠性标准,例如氧化物完整性和寿命。

沟槽器件以增加栅极电荷为代价提供出色的电池密度,而横向器件以牺牲电池密度为代价提供较低的栅极电荷。击穿电压也是这种权衡的一部分,因为击穿电压越高,开关速度越低。这种效应可以在一定程度上被电阻效应占主导地位的通道和漏极区域的设计所抵消。

虽然传统的DC-DC转换器工作在250kHz附近,并且更雄心勃勃的器件在1MHz左右循环,但这里描述的方法可实现5MHz至10MHz范围内的开关频率 - 比传统转换器提高了一个数量级以上。由于开关频率的增加,因此需要很少的电感,并且可以使用微机电系统(MEMS)技术构建电感器。

基于MEMS的电感器设计由一个厚的电镀铜(Cu)螺旋线圈组成,该线圈夹在两个平面磁层之间。开发了专有磁性合金,以满足高电流下高运行速度的技术要求。

电感器制造过程从底部磁芯及其绝缘开始。然后,铜线圈被图案化并电沉积。最后,顶部磁芯沉积在覆盖Cu线圈的电介质层的顶部。电感器制造工艺是一种CMOS兼容工艺,采用基于MEMS的厚光刻和电沉积技术。

由此产生的电感器可以集成到交钥匙DC-DC转换器封装中。这种电感器和硅的共封装使电路设计人员能够大幅降低电路板空间要求,同时缩短开发时间并降低物料清单成本。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2022-06-13 16:41