作者：CECILIA CONTENTI高級營銷經理英飛凌科技

開發高效負載點 (PoL) 調節方案，同時減少電路板空間是各種服務器、存儲、通信和消費類應用的關鍵要求。此外，必須在更短的設計周期內設計、測試和實施此類 PoL 應用程序。為了應對這些挑戰，工程師們越來越多地尋找可以幫助他們簡化和加快設計的小尺寸集成解決方案。

PoL 電源的要求 PoL 轉換器是電力系統架構向前邁出的重要一步。為了響應降低電壓水平和增加電流要求的驅動力，PoL 是基于某種形式的分布式電源架構 (DPA) 的現代設計的關鍵推動者。

使用圖 1 所示類型的 DPA 方法 帶來了許多好處，包括消除單一的中心故障點。然而，PoL 真正證明其價值的地方在于，更高的母線電壓可以一直使用到系統中需要轉換的點，從而減少配電損耗。只有在這一點上，電源電壓才會轉換為負載（通常是處理器）所需的低電壓、高電流軌。

圖 1：典型的分布式電源架構。

“頭條”效率通常是在更高的功率水平下測量的——通常是當系統以 70% 或更高的全輸出運行時。然而，為了減少能源使用，現在許多系統都提供“睡眠”或“待機”模式，這是效率的新焦點。根據運行時間與睡眠時間的比率，待機效率可能是定義系統使用成本的關鍵驅動因素。

典型的設計挑戰設計電力系統并非易事，通常被視為需要外包而不是“內部”處理的專業學科。然而，借助有據可查的現成架構，即使是非專業的電源設計人員也可以開發出領先的解決方案。

在大多數情況下，拓撲是降壓轉換器（通常稱為降壓轉換器）。組件選擇是關鍵，特別是對于將決定系統效率和性能的控制器和動力傳動系組件。

隨著電子系統變得更小或在與上一代相同的空間中封裝更高的性能，電源方案的空間通常受到限制。因此，設計人員面臨著提供更小、性能不斷提高的電源解決方案的壓力。因此，制造商被迫以越來越壓縮的時間尺度和盡可能少的“旋轉”來發布產品——最好是單次旋轉。

噪聲（或減輕噪聲）對設計師來說仍然是一個持續的挑戰。通常不可預測（尤其是分立設計），EMI/EMC 是初始設計失敗的最常見原因之一，導致需要重新設計和重新測試電路板——延遲新產品的發布（和收入） .

簡化 PoL 系統設計 簡化 PoL 設計過程的最簡單方法之一是使用由強大的應用程序文檔支持的現成解決方案。遵循這種方法，設計人員可以利用 PoL 轉換器制造商的大量研發投資。現成的解決方案還可以允許訪問需要時間從第一原理開發的附加功能，同時顯著降低從頭開始設計的風險。關鍵是識別和選擇一種“標準”技術，該技術提供足夠的特性、性能和靈活性，使工程師能夠以經濟的總解決方案成本為給定的應用配置最佳解決方案。

最佳選項通常為設計人員提供全面的參考設計、應用說明和應用圖表、典型工作波形、建議的組件列表，甚至 PCB 金屬和組件布局圖，為設計人員提供一種交鑰匙設計方法。所有這些都降低了設計風險，加快了開發時間，并讓設計人員相信解決方案第一次就正確。

這種向下設計提供了經濟的解決方案成本，具有高水平的優化和集成，可以顯著減少所需的外部組件數量。這也加快了上市時間并降低了空間需求和成本，因為需要做出的設計決策更少，需要尋找空間、采購、庫存和放置的組件也更少。最終，這導致了一個優雅的技術和商業解決方案。

集成硅解決方案用于電源設計的集成硅解決方案可以追溯到大約 40 年前的 1970 年代中期，當時線性調節是正常的方法。此時，開關模式設計還處于起步階段，并為少數人所理解——主要是在軍事領域。隨著第一個 PWM 控制器的出現，該技術被更多的設計人員使用并滲透到商業領域，盡管早期的控制器仍然需要用戶的大量設計輸入。隨著時間的推移，越來越多的功能被集成到控制器中，為設計人員帶來了更大的易用性，并為每個人提供了更多高級功能。主要由處理器的苛刻需求和“綠色能源”計劃推動的持續創新導致了所謂的“智能能源”功能的結合。通常，控制器具有針對全功率和空載運行進行優化的多種運行模式。通過檢測和響應負載的變化，控制器可以確保 PoL 始終以最佳效率運行。

由 PoL 設備供電的負載的性質也變得越來越復雜。例如，現代處理器中常見的動態功率負載對 PoL 提出了新的要求。解決此問題的一種流行技術是恒定導通時間 (CoT)，其中控制 FET 為輸出電容器充電一段固定時間。CoT 技術提供良好的負載和線路瞬態響應，并且通常不需要外部補償，從而實現更快、更輕松的設計。

許多 PoL 設備現在包含某些關鍵參數的可編程性，例如輸出電壓。從系統級的角度來看，這提供了簡單性，因為相同的解決方案可用于復雜系統中的多個電壓，只需更改組件值。這導致了規模經濟以及對該特定設計的熟悉度。此外，隨著電壓軌要求的變化，可以以最小的電路變化和最大的信心適應新值。

與效率一起，輸出電壓精度是一個關鍵的設計參數。這需要在整個溫度范圍內非常精確的內部參考電壓。每個 PoL 設計都必須具備啟用和電源良好輸出等標準功能。

包括 PoL 在內的系統穩定性至關重要。隨著今天的負載在本質上變得更加動態和復雜，一個好的設計必須考慮到這種穩定性。最先進的 CoT 解決方案的限制之一是使用陶瓷電容器時穩定性差。越來越多的現代系統僅使用陶瓷電容器來滿足成本、尺寸和可靠性目標。這種電容器類型具有低等效串聯電阻 (ESR)，而且紋波信號通常太小，無法讓標準 CoT 拓撲在沒有外部補償的情況下正常工作。這通常需要外部紋波注入 (R+C) 和緩沖組件，以確保所有陶瓷電容器的穩定性。另一種方法是添加一個內部紋波仿真電路來克服這個限制，

保護要求任何系統的最佳衡量標準之一是其可靠性——尤其是在關鍵任務應用程序（例如服務器、通信和存儲）的正常運行時間方面。電力系統是這種可靠性的基本組成部分，為了實現這一點，許多保護功能現在被整合到現代控制器中。電力系統本身不應該發生故障，但它需要保護系統的其余部分以及自身免受其他地方可能發生的故障的影響。為了輕松實現這一點，選擇具有過流保護、熱關斷和預偏置啟動等功能的控制器非常重要。特別是，具有多種設置的精確熱補償電流限制對于最小化電感器尺寸和成本至關重要。

硅的發展硅集成如何支持這一不斷發展的功能需求的一個例子是 IR MOSFET IPOL (IR3883) 高效 DC/DC 轉換器，如圖2 所示。

圖 2：IR3883 控制器 IC 采用緊湊的 3 x 3-mm QFN 封裝。

這款緊湊、高度集成的器件提供超輕負載效率（包括待機功率）、CoT 操作和可編程性。它可以在寬輸入電壓范圍（2.5 至 14 V）下運行，使其適用于大多數 PoL 低電流應用。它包括可靠 PoL 設計所需的所有功能和故障保護（啟用輸入、電源良好輸出、軟啟動、預偏置啟動、熱關斷）和非常精確的參考電壓 (0.5 V ±0.6%)輸出電壓精度。

這款具有集成 MOSFET 的多功能 PWM 控制器具有 3 x 3 毫米的小尺寸，能夠持續提供高達 3 A 的電流。它需要絕對最少的外部組件（見圖3），停機時消耗小于 10 μA，空載工作時消耗小于 200 μA，非常適合待機操作。

圖 3：IR3883 應用圖顯示減少的組件數量。

通過兩種操作模式優化效率。在強制連續導通模式 (FCCM) 中，控制器作為同步降壓轉換器運行，具有 800 kHz 的偽恒定開關頻率。在二極管仿真模式 (DEM) 中，同步 FET 在電感電流降至零時關閉，從而提高了輕負載效率。如圖?4所示，超低靜態電流可確保負載電流低至 10 mA 時的效率，是待機電源軌的理想選擇。

圖 4：在 DEM 中，IR3883 提供出色的低功耗效率——使其非常適合備用電源軌。

具有不同設置的熱補償內部過流保護避免了過度設計電感飽和點的需要，從而允許選擇更小、更便宜的電感。強制連續電流模式的選項允許頻率降低可能成為諧波、拍頻和干擾問題的應用，例如多軌系統和通信應用。

專有的 CoT 引擎可通過陶瓷電容器保持穩定。無需外部補償，因此可以指定小型且低成本的 MLCC 電容器。能夠容忍電容的廣泛變化提供了更高的魯棒性，而專有的內部斜坡補償進一步降低了紋波，并允許電壓前饋在寬輸入電壓范圍內保持環路響應。這確保了在各種操作條件下的穩定性，并且無需復雜的交流分析或波特圖。

IR3883 的引腳分配和占位面積也根據元件布局進行了優化，以便于布局和低噪聲（見圖5）。例如，電源接地和電源輸入電壓引腳彼此相鄰，以允許完美放置輸入電容器以實現最大輸入濾波。這簡化了“完全全面”的簡單方法的布局。

圖 5：IR3883 顯示了優化的封裝和引腳布局，以便于布局和通過傳遞輸入電容。

分布式電源架構自然適用于大型系統，并且非常廣泛地用于服務器、存儲、通信和消費類應用——在這些領域，整體系統效率至關重要，并且通常是制造商的競爭優勢。此外，DPA/PoL 架構越來越多地用于工業設備和電信系統，其中增強彈性和效率的優勢也受到重視。在所有這些領域，高集成度控制器的可用性簡化了設計并加快了上市時間，同時在任何負載水平上實現了效率目標。

審核編輯 黃昊宇