文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號: 0258-7998(2015)03-0048-03
當(dāng)前,,數(shù)字多媒體、視頻廣播設(shè)備,、個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備(PND),、車載電源設(shè)備的使用越來越廣泛, 為這些設(shè)備提供電源管理,常需要具有高壓大電流高轉(zhuǎn)換率效的DC-DC轉(zhuǎn)換器,。為了減小設(shè)備體積和重量,,電源模塊必須最小化,因此,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的高轉(zhuǎn)換效率以及高集成度成為一種趨勢[1-2],??紤]到電壓控制模式和非同步轉(zhuǎn)換器的一些缺點(diǎn),更多的系統(tǒng)選擇使用同步電流模式DC-DC轉(zhuǎn)換器,;圖1為典型電流模同步BUCK轉(zhuǎn)換器的電路框圖,,圖中陰影部分為轉(zhuǎn)換器的功率級,而電流控制模式BUCK DC-DC轉(zhuǎn)換器中功率級的設(shè)計(jì)是最重要的功能模塊之一,,亦是轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在,,原因在于:功率級中作為開關(guān)的功率晶體管導(dǎo)通電阻會(huì)影響系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的效率,在大負(fù)載電流條件下,,功率開關(guān)晶體管的導(dǎo)通電阻還會(huì)影響芯片的熱設(shè)計(jì),一般來講,,功率開關(guān)的導(dǎo)通電阻與其寬長比成反比,但大尺寸器件會(huì)導(dǎo)致更大的芯片面積,,增加芯片的成本,,缺少市場的競爭力,怎樣能夠在減小導(dǎo)通電阻和芯片面積之間找到合適的折中點(diǎn)是功率晶體管設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,;其次,,功率晶體管在版圖設(shè)計(jì)時(shí)的寄生效應(yīng)也會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的性能,功率晶體管的版圖優(yōu)化是功率級設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分,;最后,,電流模轉(zhuǎn)換器需要對電感電流進(jìn)行檢測,設(shè)計(jì)合適的低功耗電感電流檢測電路亦是功率級設(shè)計(jì)的難點(diǎn),。
基于上面的考慮,,本文將以電流模式控制同步降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器為例,,設(shè)計(jì)輸入電壓最大為18 V,、典型輸出電壓為5 V、能夠提供3 A負(fù)載電流的功率級,。
1 同步功率晶體管設(shè)計(jì)
對于單片高壓大電流集成DC-DC轉(zhuǎn)換器,,功率級設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性,特別是高壓功率開關(guān)采用LDMOS晶體管,,在大電流下需要考慮以下幾個(gè)方面: DMOS晶體管會(huì)寄生雙極性晶體管,,當(dāng)晶體管流過一定的電流,晶體管的漏極和源極電壓會(huì)增加到擊穿電壓,,然后漏源電壓將回跳到一定的低值[3-4],;其次,在負(fù)載電流比較大時(shí),,芯片封裝時(shí)引線產(chǎn)生的寄生電阻[5]將不能忽略不計(jì),,如圖2所示,RP1~RP4為芯片封裝引線產(chǎn)生的寄生電阻,為了能夠減小其寄生電阻,,在芯片封裝時(shí),,PAD與封裝管腳之間引線要避免過長;圖2中,,RONMD1為主功率開關(guān)導(dǎo)通電阻,,RONMD2為同步開關(guān)的導(dǎo)通電阻; Q1和Q2是由驅(qū)動(dòng)電路控制的理想開關(guān),。
主開關(guān)的等效直流導(dǎo)通電阻RHS如下式所示:
RHS=RP1+RMD1+RONMD1+RMS1+RP2(1)
其中:RMD1和RMS1分別為主開關(guān)功率晶體管版圖設(shè)計(jì)時(shí)漏極和源極金屬連線產(chǎn)生的寄生電阻,,該電阻主要由金屬連線的物理設(shè)計(jì)決定。
同步開關(guān)的等效直流導(dǎo)通電阻RLS如下式所示:
RLS=RP3+RMD2+RONMD2+RMS2+RP4(2)
其中:RMD2和RMS2分別為同步開關(guān)功率晶體管版圖設(shè)計(jì)時(shí)漏極和源極金屬連線產(chǎn)生的寄生電阻,,該電阻主要由晶體管的物理設(shè)計(jì)決定,。
主功率開關(guān)和同步開關(guān)晶體管一般選用N溝道LDMOS晶體管,原因在于N溝道LDMOS晶體管的電子遷移率大于P溝道LDMOS晶體管空穴遷移率,,對于相同大小的導(dǎo)通電阻,,LDNMOS晶體管的面積僅為LDPMOS晶體管面積的1/2~1/3[3],本文設(shè)計(jì)主開關(guān)和同步開關(guān)等效直流導(dǎo)通電阻RHS和RLS約為88 m?贅,。
2 電感電流檢測電路
電流模式DC-DC轉(zhuǎn)換器中,,電感電流的檢測是智能功率芯片非常重要的功能之一,因此也衍生了多種電感電流檢測的方式[6],。
本文對電感電流檢測的方式采用間接檢測方式,,圖3給出電路結(jié)構(gòu),當(dāng)主開關(guān)功率(MD1)晶體管導(dǎo)通時(shí),,MD1的漏極電流等于電感流過的電流,,為了避免直接檢測MD1電流會(huì)導(dǎo)致消耗更大的功耗,不利于系統(tǒng)的效率提高,,本設(shè)計(jì)采用等比例檢測主開關(guān)MD1的漏極電流,,然后通過在比例晶體管MD2的漏極連接一個(gè)較小的電阻將比例電流轉(zhuǎn)換成電壓VSENS,這樣的優(yōu)點(diǎn)在于:采樣電流的功耗較低,,由于采樣電阻連接在晶體管的漏極,,電流的比例系數(shù)精確。下面給出VSENS的計(jì)算公式:
其中,,M為功率晶體管電流采樣比例系數(shù),,在本設(shè)計(jì)中,檢測電感電流技術(shù)如圖1所示,,MD1的寬長比是MD3的寬長比的49倍,,即M=49。由RSENSE=2 ?贅電阻把采樣的電流轉(zhuǎn)換成電壓,,并通過圖3所示的電路把該采樣的電壓進(jìn)行放大,,該放大系數(shù)設(shè)計(jì)為R3/R1,,2=5倍。
3 同步功率晶體管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
在降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器中,,主開關(guān)晶體管使用N溝道LDMOS晶體管,,為了能夠驅(qū)動(dòng)該功率開關(guān)晶體管,需要集成片上自舉電路才能驅(qū)動(dòng)LDNMOS功率晶體管,。
由于轉(zhuǎn)換器采用同步工作模式,,主開關(guān)和同步整流開關(guān)交替導(dǎo)通,為避免主開關(guān)和整流開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通可能造成的功率晶體管的損壞,,以及損失轉(zhuǎn)換器的效率,,同步驅(qū)動(dòng)電路還需要采用死區(qū)時(shí)間控制邏輯電路,詳細(xì)電路圖如圖4所示,。當(dāng)同步整流開關(guān)關(guān)閉時(shí),,同步整流開關(guān)管的寄生二極管導(dǎo)通,但死區(qū)時(shí)間不能太大,,否則會(huì)導(dǎo)致由于寄生二極管導(dǎo)通時(shí)間過長,,造成轉(zhuǎn)換效率降低。
功率級的輸入電源電壓范圍為5~18 V,,功率開關(guān)晶體管的柵源電壓為5 V,。由于信號PWM為0~VDD(低電平為0 V,高電平為5 V)的脈沖寬度調(diào)制信號,,為了對主開關(guān)MD1的驅(qū)動(dòng),,脈沖寬度調(diào)制信號的電平需要轉(zhuǎn)換為SW~VBOOT;為了能夠把0~VDD電平轉(zhuǎn)換成低電平為SW,,高電平為VBOOT,,必須使用電平移位器(圖4中l(wèi)evel shift1);為了能夠?qū)崿F(xiàn)死區(qū)時(shí)間的控制,,還需要把SW~VBOOT轉(zhuǎn)換為0~5 V電平,,使用圖4中l(wèi)evel shift2。另外,,功率器件LDNMOS有比較大的柵電容,,因此,, LDNMOS前級反相器采用反相器鏈進(jìn)行驅(qū)動(dòng),。
4 轉(zhuǎn)換器功率級版圖設(shè)計(jì)考慮
由于降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的主開關(guān)MD1位于電源和輸出之間,故MD1的背柵與源極相連,,而不與襯底電位相連,,因此,在版圖設(shè)計(jì)時(shí),,該LDNMOS背柵下面需要N型埋層(NBL)作為隔離,。功率晶體管的版圖設(shè)計(jì)還需要考慮以下幾個(gè)方面:
首先,確定功率晶體管面積,根據(jù)前面轉(zhuǎn)換器負(fù)載電流對功率晶體管的需求,,采用SMIC 0.35 ?滋m DPTM BCDMOS工藝技術(shù),,其LDNMOS的導(dǎo)通電阻每平方毫米為16.5 m?贅(常溫25 ℃),本文設(shè)計(jì)的功率晶體管的面積:MD1為0.5 mm2,,MD2為0.5 mm2,。
其次,盡可能減小功率晶體管的金屬連線和封裝引線所產(chǎn)生的寄生電阻,,下面分別考慮如下:根據(jù)所選用的工藝,,采用頂層加厚鋁線來減小金屬連線寄生電阻,同時(shí)對頂層金屬精心布線來優(yōu)化功率晶體管的寄生電阻,;一般來講,,對于設(shè)計(jì)負(fù)載電流大于1 A以上的DC-DC轉(zhuǎn)換器,PAD與封裝管腳一般采用多根金絲,,設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)1根金絲(1密爾直徑)能夠承受約1 A電流,,不同金絲直徑其電阻亦不一樣,特別是設(shè)計(jì)負(fù)載電流大于2 A以上的轉(zhuǎn)換器,,由于導(dǎo)通電阻很小,,引線寄生電阻在式(1)、(2)中占有的分量不能忽略不計(jì),,本設(shè)計(jì)采用4根1密爾金絲作為封裝引線,。當(dāng)前,封裝引線采用銅線技術(shù)趨于成熟,,而銅線的電阻率比金線電阻率小,,而且還有價(jià)格優(yōu)勢,因此采用銅線封裝越來越受歡迎,。本設(shè)計(jì)采用上述設(shè)計(jì)思想,,計(jì)算得到的功率管的理論值如表1所示。
最后,,對主開關(guān)和同步開關(guān)需要良好的隔離,,避免互相干擾;在芯片版圖中,,功率器件和模擬電路需要隔離環(huán),,衰減開關(guān)噪聲對內(nèi)部模擬電路的影響。
5 功率級測試結(jié)果
對前面所述功率級設(shè)計(jì),,應(yīng)用到電流模降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器,,采用SMIC 0.35 m DPTM BCD工藝流片,芯片面積為1.6 mm×1.7 mm,,電流模降壓型DC-DC版圖結(jié)構(gòu)如圖5所示,。通過對芯片進(jìn)行電氣測試,,測試條件:外接電感4.7 ?H,輸出電容采用22 ?滋F陶瓷電容,,輸入電源電壓為12 V,,轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率為500 kHz,輸出電壓設(shè)置為5.0 V,,輸出能夠提供3 A負(fù)載電流,;圖6給出了輸出為5.0 V,在輸入電源電壓為12 V,,不同負(fù)載條件下的效率曲線,;表2給出功率級測試的結(jié)果,測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),,功率開關(guān)導(dǎo)通電阻均大于表1的理論設(shè)計(jì)值,,原因在于:表1給出的導(dǎo)通電阻為常溫計(jì)算值,而實(shí)際測試時(shí),,由于在大電流條件下,,芯片溫度的上升導(dǎo)致導(dǎo)通電阻增加。
6 結(jié)論
本文采用0.35 m DPTM 18 V BCDMOS工藝技術(shù)設(shè)計(jì)電流模降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器功率級,,該功率級設(shè)計(jì)包括功率晶體管設(shè)計(jì),,并給出了功率晶體管的等效導(dǎo)通電阻,電流檢測電路設(shè)計(jì)以及功率晶體管的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì),,最后給出了DC-DC轉(zhuǎn)換器功率級的版圖設(shè)計(jì)考慮,。該功率級電路已經(jīng)應(yīng)用于DC-DC轉(zhuǎn)換器中,測試結(jié)果表明:在轉(zhuǎn)換器輸入電壓為12 V,、輸出5.0 V時(shí),,輸出電流為3 A;其轉(zhuǎn)換效率最大可以達(dá)到94.5%,。
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