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集成MOSFET的优化型降压稳压器将功率密度提升至新水平

宣布时间:2018年05月28日 11:05    宣布者:eechina
要害词: MOSFET , 降压稳压器 , 功率密度
作者:安森美半导体市场司理Jennifer Joseph

集成是固态电子产物的基础,将类似且互补的功效群集到单一器件中的才干驱动着一切行业的生长。随着封装、晶圆处置赏罚赏罚和光刻手艺的生长,功效密度赓续前进,在物理尺寸和功率两方面都供应了更高能效的妄图。

对产物开发职员来讲,功率密度是一个一直存在的寻衅,对种种电压下更高电流的需求(通常远低于系统总线)带来了对更小的降压稳压器的需求,这样的稳压器可经由历程一个单极里的多个镌汰年夜器,将电压从高达48 V降至1 V,使其能够切近负载点,且依然可供应95%以上的能效。

高水平的集成和功率转换的联络着实不是传统上好的搭配,由于通常来讲,二者所接纳的流程着实不完全兼容。在某些情形下,弗成防止的让步是可以容忍的,例如在相对较窄的输入电压规模内供应较低功率水平的DC / DC稳压器,或低功率能效可忽视不计的情形。不幸的是,关于系统开发职员来讲,此类让步也变得愈来愈难以容忍。

多数功率稳压器现在能供应优胜的集成水平,但它们在性能和能效方面普遍较差。关于愈来愈多没法在此方面做出让步的应用,这经常意味着集成水平能够受限于控制器和用于外部MOSFET的低端/高端驱动器。可是,理想的妄图应当是将一切降压转换器功效集成到一个单一、小型和高能效的器件中,集控制器、驱动器和MOSFET于一身,以供应更强年夜的整系一切优势。

集成的实力年夜

之以是要集成的启事有许多。在数字或混淆旌旗暗记妄图(如微控制器)中,集成让一系列应用中的经常应用的功效能够合并在一起。将它们一起放在一个单一的器件中,从而天生一个妄图,这在吸引了相当多的制造商的同时,通常还能降低所有BoM资源。在这类情形下,所接纳的半导系统体例造工艺的前进使集成得以完成。

在功率器件中,集成还能以更有用的要领,供应资源优势。例如,用于降压转换的主要元件之间的更慎辘集成可供应直接的能效增益,这不只意味着较低的BoM资源,而且能够节俭系统能耗。通常,由于能效前进,制造商也能够或许或许到达更低的整系一切冷却请求。这便能够在愈来愈多的应用中直接节俭全体具有资源,如电信和群集装备、基站、工业自动化(网罗机械人)、家用电器和电动工具、自动售货机、游戏和金融类机械(如ATM机)、和用来为便携装备充电的电源等。

多芯片模块

经由历程单片或多芯片模块的要领可完成将多个元件集中于一个单一封装。多芯片模块的优势在于,便可集成的组件而言,它能防止单片工艺所触及的年夜量让步。关于像安森美半导体这样的元件制造商来讲,具有最合适的手艺可以为开发多芯片模块供应一个优化的措施。

从更高的层面上,一个同步降压稳压器拓扑结构有三年夜要害功效,即控制器、门极驱动器和开关功率MOSFET。有一些器件可告成地集成控制器和驱动器,与外部MOSFET一起应用,但很少能够将一切三种功效集成到一个单一器件中,为系统工程师供应真实的优势。

FAN650xx系列电压形式同步降压稳压器供应了这一集成水平。接纳有针对性的集成要领意味着每个元素都针对该义务阻拦了设计和优化,从而组成了一个多芯片模块,该模块将同类争先的电流输入与应用分立元件没法完成的性能水平相联络。

该系列现在网罗三个器件,电流输入不合,划分为6A、8A或10A,一切器件均保持引脚兼容性,接纳节俭空间的6 mm x 6 mm PQFN封装,这意味着纵然在PCB设计完成后,OEM也能够或许或许为其应用选择最合适的器件。图1显示了尺度应用中FAN650xx的功效图示。

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图1:尺度应用中的FAN650xx

将高端和低端MOSFET集成于统一封装中的一项主要优势在于其能够很好地经由历程驱动器阻拦优化。在传兼顾划中,MOSFET为外接,且凭证输入电流的请求来阻拦选择。虽然这能够是有益的,但在针对需求的电流阻拦设计时,它确切会带来一些寻衅。

虽然可供应的现实电源电流仍受集成的门极驱动器容量限制,但外部MOSFET的主要寻衅在于凭证感测高端电流关闭控制环路。这是所有妄图的要害部门,因其可供应稳压和过流掩护。外部MOSFET与控制器和驱动器在设计上集成于一体,意味着电路各部门之间的温度系数婚配得加倍慎密,从而供应更高的精度。而接纳一个外部MOSFET的拓扑结构则不具有这类慎密婚配,从而招致能效降低。

现实开发用于多芯片妄图元件的此外一项优点是能够在门极驱动器和MOSFET之间完成更慎密的设计优化。这意味着驱动器的转换速率可凭证MOSFET阻拦调剂(这里接纳了安森美半导体的PowerTrench MOSFET手艺)。这便可以供应更低的开要害点振铃,且不存在击穿或交织导电的风险。由于模块化的要领意味着以后电源设计仅能够发生一个单点误差,是以可靠性也得以提升。

多形式操作

除高集成度的优势(网罗更好的热性能)(见下文)以外,FAN650xx系列针对更高的设计无邪性供应多种使命形式。这网罗主形式和非主形式下的CCM和DCM。器件上的形式引脚可控制其能否能在脉冲调制或频率同步形式下使命,带来了诸多设计能够性。图2 A-C显示了FAN650xx系列的尺度应用示例。

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图2A

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图2B

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图2C

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图2D

图2 A-D是FAN650xx系列怎样在强迫CCM或DCM形式下使命的设计示例。在强迫CCM形式下,岂论负载条件若何,它都保持一连导电形式,且频率一定,从而可完成低纹波输入。假定器件在DCM形式下运作,则会在轻载时完成脉冲腾踊,但当电感电流高于0A时会自动切换到CCM形式,进而为轻载或待机时代的应用供应更高的运作能效。

当处于频率同步形式下的主形式时,器件会发生一个与自己时钟相位相差180°的时钟旌旗暗记,使许多器件同步,同时保持最小的输入纹波,进而前进整系一切能效。

热治理

多芯片模块设计意味着低端MOSFET的源极可以物理毗连一个年夜的接地层。这反已往又应用穿孔为PCB的内层培植了一个高效的热通路。这类设计刷新了模块的热特点,从而进一步前进了所有能效。

接纳PowerTrench&reg; MOSFET和紧凑的散热增强的6 x 6 mm PQFN封装,使FAN6500xx系列能够供应高功率密度性能。

在图3中,FAN65004B用来在5A输入电流下构建一个从48V输入到28 V输入的转换器。

•        外壳温度热电偶位于高侧FET。
•        T1 = 117.9⁰C

•        情形温度热电偶位于电路板的底部。
•        T2(Ta) = 98.9⁰C

该妄图能够以97%的高能效供应140 W的输入功率,温度仅上升19˚C。

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图3:FAN650xx系列的热能效示例

FAN650xx系列电压形式同步降压稳压器可在一个单一模块中供应完全的妄图,赞助系统工程师和电源设计职员为普遍的应用完成更高的功率密度。仰仗4.5 V至65 V的宽输入电压规模和0.6 V至55 V的输入电压和6 A至10 A的一连电流,该系列中的引脚兼容产物将功率密度和集成度提升至新水平。
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bijinyi 揭晓于 2018-6-1 11:25:13
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