|
德州儀器（TI）公司最近推出了兩款降壓轉(zhuǎn)換器，它們以業(yè)界最小的封裝實(shí)現(xiàn)了最高的功率密度與效率。TI中國(guó)區(qū)電源產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展工程師吳濤為我們講解了兩款轉(zhuǎn)換器的特性。 吳濤說(shuō)，TPS56221和TPS56121用于電源轉(zhuǎn)換，集中在大功率或大電源應(yīng)用上，它們的最大輸出電流分別為25A和15A。這些產(chǎn)品上個(gè)月已經(jīng)量產(chǎn)，有些客戶已經(jīng)在做評(píng)估。 TPS56是最新的編碼，以前常見(jiàn)的物料是TPS54，這是MOS管集成的方案。但和TPS56相比，TPS54電流會(huì)更小一點(diǎn)，一般集中在10安培或10安培以下。TPS56內(nèi)部集成的是NexFET，這也是TI自己的MOS管，非常高效率，能達(dá)到非常高開(kāi)關(guān)速度。集成NexFET以后，電流比傳統(tǒng)的TPS54電流更高一些，達(dá)到15或25安培的級(jí)別。TPS54和TPS56兩個(gè)系列可以覆蓋3—30安培所有單相DC/DC的應(yīng)用。 這種類型的產(chǎn)品更多集中在大電流應(yīng)用上，比如通信、FPGA、DSP等比較大的電流的應(yīng)用。尤其在通訊行業(yè)，他們一直追求提高功率密度、提高效率。今年發(fā)布的TPS56正是適應(yīng)這個(gè)需求，可以極大提高功率密度，而且效率處于業(yè)界領(lǐng)先（應(yīng)該是業(yè)界第一）的地位。 TPS56221最大的特點(diǎn)是高效率、高功率密度，效率從5安培到25安培全部在90%以上，這是非常高的效率。測(cè)試條件是在12V輸入，1.3V輸出，500KHz開(kāi)關(guān)頻率。在1.2V這么低的電壓下、5A到25A這么寬的范圍內(nèi)達(dá)到90%的效率，在業(yè)界是非常難做到的一件事情。用TI的控制器加上NexFET就可以達(dá)到這樣的效果，非常平的效率曲線，無(wú)論是輕負(fù)載、重負(fù)載還是中等負(fù)載效率都非常高。5A以下，4A、3A、2A效率到在80%以上，1A依然有70%的效率，也就是說(shuō)客戶如果在一些休眠或低功耗的狀態(tài)下，電流在1A時(shí)效率依然非常高。TPS56221由于內(nèi)部集成controller和NexFET的原因，在重載下效率非常高，輕載下效率依然非常高。 
它的功率密度也是非常高的，達(dá)到200W/立方英寸。這個(gè)芯片是5毫米×6毫米的大小，高度是1.5毫米。業(yè)界正常的25A的一個(gè)MOS管就是5毫米×6毫米的大小，TI現(xiàn)在把兩個(gè)MOS管加上控制器全部放在一個(gè)封裝里是5毫米×6毫米的大小，它的功率密度和傳統(tǒng)解決方案相比提高了不止1倍。所以整個(gè)的一個(gè)25A的解決方案平鋪下來(lái)是315平方毫米，可以極大節(jié)省客戶的板面積，而且也節(jié)省了客戶物料管理所需要花費(fèi)的工夫，因?yàn)榘袽OS管也集成了，他不用單獨(dú)采購(gòu)MOS管。原來(lái)要三顆物料，現(xiàn)在只要一顆就可以完成一個(gè)解決方案了。
TPS56221的顯著特性如下。首先里面用到NexFET CSD86350 電源模塊，上管和下管集成在一個(gè)封裝里，其他廠商也有這樣的做法。56221除了用到一個(gè)傳統(tǒng)的TPS40控制器，也會(huì)用到CSD86350的Power Block，正因?yàn)槲覀冇玫搅薔exFET, 所以才做到這么高的效率。其次它采用變壓型的控制加上前端控制，它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間非常好，包括對(duì)于輸入跳變響應(yīng)非常快。 第三是在-4度到88度的范圍以內(nèi)，保證1%精度的0.6V基準(zhǔn)。0.6V這么低的基準(zhǔn)可以保證在擴(kuò)電壓越來(lái)越降低的情況，能適應(yīng)所有的應(yīng)用，1%的精度也能保證主芯片獲得高精度的使用范圍。比如芯片要求正負(fù)3%的精度要求，DC/DC的精度控制就是非常重要的事情。在25度常溫狀態(tài)下僅0.5%是非常準(zhǔn)的精度。同時(shí)它支持預(yù)偏置電壓的啟動(dòng)，輸出1.8V或1.2V。有部分電壓從別的電壓軌轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的電壓時(shí)，它能夠保證平滑的啟動(dòng)，而不是從別的電源軌電流進(jìn)來(lái)，也就是不會(huì)有反向電流進(jìn)入到DC/DC里。 TPS56221最小的on time是100nm, 最大duty可以非常高。在不同的頻率下有不同的最大duty, 比如500k時(shí)最大duty有90%。這么寬的Maximum duty可以允許客戶做任何的電壓配比，比如5V轉(zhuǎn)3.3V、5V轉(zhuǎn)3.3V以下的電壓，包括5V轉(zhuǎn)1.2V的電壓都可以順利的完成設(shè)計(jì)。 另外有一個(gè)很大的特色就是，過(guò)流保護(hù)可以根據(jù)客戶的需要設(shè)定，比如使用20A，不想過(guò)流保護(hù)到25A以上可以自己調(diào)整。 高側(cè)（high side）有Pulse by pulse來(lái)進(jìn)行，目前用到的方法是外部用到的電阻，可以根據(jù)客戶選擇不同的電阻值來(lái)調(diào)整過(guò)流保護(hù)點(diǎn)。這里總結(jié)的是有NexFET的優(yōu)點(diǎn)，也有TPS40K控制器的優(yōu)點(diǎn)，兩方面加在一起才有這么一個(gè)DC/DC converter。 下面進(jìn)一步介紹效率和功耗情況。傳統(tǒng)的做法是外面有兩個(gè)MOS管，現(xiàn)在已經(jīng)包含進(jìn)去，所以它有最大的外部器件是電容，其他都是小器件。這和剛才的效率曲線基本是一樣的，它做的轉(zhuǎn)換是12V至1.2V、25A的轉(zhuǎn)換，不同的是剛才是12V的曲線在上面，這里把8V和14V的效率曲線也標(biāo)出來(lái)了。 三家公司的產(chǎn)品做過(guò)比較，其中有15A、25A和20A的。最接近競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品效率也差4個(gè)點(diǎn)，其他的效率差別會(huì)更大。
新推出的兩款產(chǎn)品中TPS56121是15A的產(chǎn)品，TPS56221是25A的產(chǎn)品。與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品相比，TI的工作頻率是1M赫茲，比對(duì)手高了一倍，開(kāi)關(guān)損耗大了很多，但是15A時(shí)的效率，仍然比對(duì)手高3%。也就是說(shuō)，TI的方案尺寸更小而效率更高。3個(gè)點(diǎn)的效率意味著什么？對(duì)于效率已經(jīng)非常高的解決方案來(lái)講，進(jìn)一步提高3個(gè)點(diǎn)的效率也很困難，通常要經(jīng)過(guò)一整代MOS管的更新?lián)Q代才能達(dá)到這個(gè)水平。競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在15A可以做到87%，已經(jīng)很高，但TI可以做到90%以上。從TPS56121全范圍的效率曲線看，最底下的線是80%，在2A時(shí)是90%，15A還是在90%以上，16A略低于90%，這是在1MHz工作頻率下測(cè)到的結(jié)果。 在不同輸入電壓下，5V時(shí)比12V時(shí)的效率更高一點(diǎn)。左邊是TPS56221的效率，下圖是5V輸入電壓下的情況，紅線是往0.8V輸出，往上依次是1V、1.2V、1.8V、2.5V。2.5V效率已經(jīng)非常高了，基本在2A以內(nèi)都可以達(dá)到92%以上的效率，哪怕0.8V也可以做到80%以上的效率，最重的載效是85%左右。右邊15A的TPS56121效率曲線更平一點(diǎn)。0.8V這么低的電壓，在15V還可以做到90%。
TPS56221和TPS56121在5 Vin下的效率曲線
TPS56221設(shè)計(jì)實(shí)例
TPS56221的輸出電壓紋波曲線 |
