電源設計的挑戰
隨著新能效標準的推出，處理能力及功能的持續演進，一般消費者和企業日常所用產品也不斷地在推陳出新：DVR、機上盒和數據機、工業用的手持式設備、可攜式媒體播放機和條碼掃描器，這些產品改變了直流電源轉換、管理和分配的方法。傳統上，這些產品設計沒有像手機產業那樣，對待機功耗、動態負載電流或尺寸大小非常在意。在設計電源管理解決方案時，需要考慮如何為產品中的ASIC、DSP晶片、具有內核的SOC、 數位電路、記憶體以及IO選擇電源穩壓器，這些挑戰的出現也為新的設計帶來新的思考方向。
設計人員可以考慮採用新款高頻穩壓器解決方案(例如快捷半導體的FAN5354 (3MHZ)降壓穩壓器)所帶來的效益。這些新方案採用先進的設計技術，可在大的負載電流範圍(1mA – 3A)提供較高的效率，顯著改善低負載暫態反應，而且由於元件尺寸縮小且數目減少，還能實現外形尺寸超小的解決方案。從事這些應用開發的電源設計人員，一直把焦點集中在切換頻率<1MHZ的低成本穩壓器 IC上，這種穩壓器需外接元件來確保軟啟動、穩定性、濾波以及負載暫態響應的最佳化。直到最近，這些終端市場的主要關注點都不是待機的電源洩漏(power drain)、電路板空間，而且動態電氣性能對滿足系統功率預算要求來說也並不重要。事實上，許多應用都採用3-5A的低效線性穩壓器，因為電源洩漏主要是受到熱管理的限制。
如今，先進的電源穩壓器供應商快捷半導體公司所提供的架構解決方案不僅能夠因應這些新挑戰，同時還可滿足相應的整體雜訊和誤差預算規格。這些新的方案利用新穎的方法解決了更高頻率穩壓器拓墣的問題(EMI、開關損耗等)，能夠在較大的工作範圍實現效率最佳化和出色的暫態響應性能。此外，這些高頻開關拓墣還提供了減少元件數目和降低成本、先進IC設計的最佳化、縮小封裝等優勢，可獲得整體佔位面積更小的解決方案。
從應用前景來看，需要這些先進DC –DC交換式穩壓器的高級消費性和工業產品面對到以下的共同挑戰：
a)功耗 (動態和待機功耗) 標準。歐洲和北美的相關規範要求平均總待機功耗<1W。這實際上要求電源設計人員選擇的解決方案不僅在全負載時要有高效率(一般 >90%)，且當處理晶片、顯示器驅動器、記憶體和I/O在空閒狀態(以確保快速響應各種不同功能/用戶要求)而非主動狀態的情況下要接通電源時，也要處於負載電源狀態，因此要求直流穩壓器的洩漏電流極低，該漏電流在輕負載狀況期間，要遠小於系統的負載電流。
b)高性能視頻、聯網、顯示器、通信 。利用目前產品所提供的先進功能，負載電流最大的一些系統模組可在1-5VDC 的電壓範圍工作。其中包括先進且高度整合的SoC IC、視頻處理器內核、顯示器、數位信號處理、動態記憶體存取元件和高速USB、HDMI等高性能通信介面，以及眾多新的無線標準(WiFi、 LTE、WiMAX等)。這些內核是以業界最新的高密度60/45-nm製程為基礎，只需極低的工作電壓(低至 0.8 VDC)，但又具有較高的平均/峰值負載電流(1-5A)和變化範圍極大的電流消耗(例如，一個負載可能在短短1uS內從0變化到3A)。由於低壓工作，適當的整體誤差預算需求要求DC-DC穩壓器可提供很低的漂移、漣波、線性調節和負載暫態響應之綜合誤差。
c)外形尺寸更小/更薄的消費性產品。消費性產品追求更小的外形尺寸和更高的性能，這為系統電源設計人員帶來了挑戰，促使他們尋找元件數目最少，但還能以更小體積的元件來達到相同性能的解決方案。切換頻率更高的拓墣有助於縮小電感尺寸，但濾波和輸出電容取決於所採用的架構。諸如機上盒、硬碟驅動器、薄型刀鋒伺服器、網卡和醫療設備等應用都開始採用更小的外形尺寸。
因此，在解決上述挑戰時，這些新的穩壓器拓墣擁有明顯不同的機遇和優勢。快捷半導體最新的產品FAN5354能夠為這些先進穩壓器設計提供一流的實現方案。
範例
以DVR/機上盒設備的性能要求為例，下圖所示為離線轉換器子系統的5 VDC 電源軌的典型功率預算之需求。
圖1：典型 STB/DVR 中主要模組的DC 5V 功率需求。
為了因應圖1中範例所建議的功率需求之型態， FAN5354的輸出電壓可在0.8V 到90%的VIN (VIN 最大為5.5V)之間調節，故能夠滿足所有三項電源軌的要求。該元件還能夠以85%以上的效率提供3A的連續輸出電流，並在負載電流低至2mA時還保持超過80%的效率。下圖所示為VOUT＝ 3.3V時效率與負載電流的關係。
圖2：VOUT = 3.3V時，效率與ILOAD 的關係。
當負載較輕時，元件可以自動從較高負載電流(一般 >600mA)的PWM控制模式切換到負載較輕條件下的脈衝頻率調變(PFM)模式，後者的典型靜態電流僅為270µA，因此可獲得出色的輕載效率。也可控制該元件的MODE引腳，以強迫該元件保持在PWM工作(輕載效率降低，如圖2中的虛線所示)，也可以與該引腳上由外部所提供的PWM信號同步。在處理音訊雜訊（audible noise）時，最小PFM頻率被限制為26kHz，以確保PFM模式的頻譜可在音訊範圍之外。該架構還把PWM模式中的頻率控制在3MHz ± 10%。控制這些參數可為系統設計人員提供關於輸出頻譜中所預期頻率成分的知識，及更高頻3MHz成分的優勢，此一成分在輸出網路端很容易被過濾出來。
總誤差預算
電源設計方法必須考慮的其它主要挑戰還有滿足被穩壓後電源的整體VOUT準確度和誤差預算。一般而言，對於整體工作條件，誤差預算為目標 VOUT的5%。這個總誤差預算是下面主要因素的總和：
a) DC輸出電壓隨溫度變化的波動――對於大多數穩壓器，因工作溫度條件變化產生的波動最大為1.5%。
b) 線路/負載調節－大多數商用穩壓器<0.5%。
c) 漣波電壓――VRIPPLE 一般與切換頻率和被動元件的寄生效應有關。FAN5353架構產生的性能與輸出電容的ESR無關，故允許使用陶瓷輸出電容。在驅動輕載時，FAN5354在不連續電流 (DCM) 單脈衝 PFM 模式下工作，相較於其它的PFM架構，這種模式產生的輸出漣波很低。該架構的漣波對整體誤差預算的影響極小。例如，圖3給出了5V VIN、1.2V 輸出電壓、3A 負載條件下的典型漣波電壓，只有15mV 或 1.2%。
圖3：輸出電壓漣波與負載電流的關係
d) 暫態響應。由於大多數穩壓器都針對上述參數進行了調整或最佳化，滿足整體誤差預算所涉及的變數中，僅有負載變動幅度(load-step)暫態響應需要考慮。對此，FAN5354架構比傳統解決方案有顯著的改善。只需要利用非常小的輸出電容(2x10uF 0805大小 陶瓷電容) 就能獲得這個性能參數，因此，電源設計無需增加額外的大型電容(和成本)來改善暫態響應，也能夠滿足規範的要求。圖4中，對於大至1.5A的負載暫態變動幅度，在穩壓器追蹤出(track out)暫態之前，FAN5354的VOUT誤差只有30mV。這代表著2.5%的誤差，因此可在1-1.8V 範圍，低VOUT條件下獲得VOUT準確度。
圖4：暫態響應，負載為100mA 到1.5A 到100mA、 5µs/div. 。
從上述總誤差預算分析可以看出，FAN5354實現方案的負載暫態響應誤差預算大約為5%，距離系統容差(大約 15%)尚有一段距離，相較之下，缺少這個視窗的傳統解決方案卻十分受限，尤其是在低輸出電壓情況下。
圖5：FAN5354與傳統解決方案的誤差預算分析之結論
除了上面討論的主要性能指標之外，對電路板的空間也越來越關注。如上所述，FAN5354 3MHz解決方案的架構只需使用兩顆常用的低成本、小電容值陶瓷電容(許多被動元件供應商均可提供)來當作輸出電容，就能夠幫助使用者滿足這些關鍵的規格要求。相較於基於電感值範圍為10-33uH的傳統300kHz 到1MHz開關產品的解決方案，它需要的電感值也要小得多 (470nH) 。FAN5354採用MLP 3.5 x 3mm表面黏著的小尺寸封裝，這種封裝形式因具有出色的電氣性能和熱性能，讓元件能夠在很大範圍的工作條件下獲得相當大的電流，故廣為這類應用所使用。最後，該元件還整合了軟啟動和內部補償功能，無需額外的外部元件來實現這些功能。更小電感、更小COUT、最少的外部被動元件，以及先進的封裝解決方案，這些特性相結合，構成了一個板上佔位面積<65mm2的最佳化設計。
圖6：最佳化電路板佈局的佔位面積 <65 mm2，電感尺寸僅5x5 mm。
結語
如何滿足覆蓋範圍更廣的節能標準，如何為更高性能的晶片組供電，在佔位面積更小、更薄的解決方案中提供一流的視頻和數位處理功能，各個終端市場正面臨著種種的挑戰，而這些新穩壓器拓墣的面市恰逢其時。本文介紹了快捷半導體先進的FAN5354 DC/DC降壓穩壓器的優點，使用該元件，能夠針對這些動態問題來量身訂做先進的穩壓器解決方案，並獲得最終設計的最最佳化。這種方法的未來持續發展，無疑將推動消費和工業產品不斷地向前邁進。
隨著新能效標準的推出，處理能力及功能的持續演進，一般消費者和企業日常所用產品也不斷地在推陳出新：DVR、機上盒和數據機、工業用的手持式設備、可攜式媒體播放機和條碼掃描器，這些產品改變了直流電源轉換、管理和分配的方法。傳統上，這些產品設計沒有像手機產業那樣，對待機功耗、動態負載電流或尺寸大小非常在意。在設計電源管理解決方案時，需要考慮如何為產品中的ASIC、DSP晶片、具有內核的SOC、 數位電路、記憶體以及IO選擇電源穩壓器，這些挑戰的出現也為新的設計帶來新的思考方向。
設計人員可以考慮採用新款高頻穩壓器解決方案(例如快捷半導體的FAN5354 (3MHZ)降壓穩壓器)所帶來的效益。這些新方案採用先進的設計技術，可在大的負載電流範圍(1mA – 3A)提供較高的效率，顯著改善低負載暫態反應，而且由於元件尺寸縮小且數目減少，還能實現外形尺寸超小的解決方案。從事這些應用開發的電源設計人員，一直把焦點集中在切換頻率<1MHZ的低成本穩壓器 IC上，這種穩壓器需外接元件來確保軟啟動、穩定性、濾波以及負載暫態響應的最佳化。直到最近，這些終端市場的主要關注點都不是待機的電源洩漏(power drain)、電路板空間，而且動態電氣性能對滿足系統功率預算要求來說也並不重要。事實上，許多應用都採用3-5A的低效線性穩壓器，因為電源洩漏主要是受到熱管理的限制。
如今，先進的電源穩壓器供應商快捷半導體公司所提供的架構解決方案不僅能夠因應這些新挑戰，同時還可滿足相應的整體雜訊和誤差預算規格。這些新的方案利用新穎的方法解決了更高頻率穩壓器拓墣的問題(EMI、開關損耗等)，能夠在較大的工作範圍實現效率最佳化和出色的暫態響應性能。此外，這些高頻開關拓墣還提供了減少元件數目和降低成本、先進IC設計的最佳化、縮小封裝等優勢，可獲得整體佔位面積更小的解決方案。
從應用前景來看，需要這些先進DC –DC交換式穩壓器的高級消費性和工業產品面對到以下的共同挑戰：
a)功耗 (動態和待機功耗) 標準。歐洲和北美的相關規範要求平均總待機功耗<1W。這實際上要求電源設計人員選擇的解決方案不僅在全負載時要有高效率(一般 >90%)，且當處理晶片、顯示器驅動器、記憶體和I/O在空閒狀態(以確保快速響應各種不同功能/用戶要求)而非主動狀態的情況下要接通電源時，也要處於負載電源狀態，因此要求直流穩壓器的洩漏電流極低，該漏電流在輕負載狀況期間，要遠小於系統的負載電流。
b)高性能視頻、聯網、顯示器、通信 。利用目前產品所提供的先進功能，負載電流最大的一些系統模組可在1-5VDC 的電壓範圍工作。其中包括先進且高度整合的SoC IC、視頻處理器內核、顯示器、數位信號處理、動態記憶體存取元件和高速USB、HDMI等高性能通信介面，以及眾多新的無線標準(WiFi、 LTE、WiMAX等)。這些內核是以業界最新的高密度60/45-nm製程為基礎，只需極低的工作電壓(低至 0.8 VDC)，但又具有較高的平均/峰值負載電流(1-5A)和變化範圍極大的電流消耗(例如，一個負載可能在短短1uS內從0變化到3A)。由於低壓工作，適當的整體誤差預算需求要求DC-DC穩壓器可提供很低的漂移、漣波、線性調節和負載暫態響應之綜合誤差。
c)外形尺寸更小/更薄的消費性產品。消費性產品追求更小的外形尺寸和更高的性能，這為系統電源設計人員帶來了挑戰，促使他們尋找元件數目最少，但還能以更小體積的元件來達到相同性能的解決方案。切換頻率更高的拓墣有助於縮小電感尺寸，但濾波和輸出電容取決於所採用的架構。諸如機上盒、硬碟驅動器、薄型刀鋒伺服器、網卡和醫療設備等應用都開始採用更小的外形尺寸。
因此，在解決上述挑戰時，這些新的穩壓器拓墣擁有明顯不同的機遇和優勢。快捷半導體最新的產品FAN5354能夠為這些先進穩壓器設計提供一流的實現方案。
範例
以DVR/機上盒設備的性能要求為例，下圖所示為離線轉換器子系統的5 VDC 電源軌的典型功率預算之需求。
圖1：典型 STB/DVR 中主要模組的DC 5V 功率需求。
為了因應圖1中範例所建議的功率需求之型態， FAN5354的輸出電壓可在0.8V 到90%的VIN (VIN 最大為5.5V)之間調節，故能夠滿足所有三項電源軌的要求。該元件還能夠以85%以上的效率提供3A的連續輸出電流，並在負載電流低至2mA時還保持超過80%的效率。下圖所示為VOUT＝ 3.3V時效率與負載電流的關係。
圖2：VOUT = 3.3V時，效率與ILOAD 的關係。
當負載較輕時，元件可以自動從較高負載電流(一般 >600mA)的PWM控制模式切換到負載較輕條件下的脈衝頻率調變(PFM)模式，後者的典型靜態電流僅為270µA，因此可獲得出色的輕載效率。也可控制該元件的MODE引腳，以強迫該元件保持在PWM工作(輕載效率降低，如圖2中的虛線所示)，也可以與該引腳上由外部所提供的PWM信號同步。在處理音訊雜訊（audible noise）時，最小PFM頻率被限制為26kHz，以確保PFM模式的頻譜可在音訊範圍之外。該架構還把PWM模式中的頻率控制在3MHz ± 10%。控制這些參數可為系統設計人員提供關於輸出頻譜中所預期頻率成分的知識，及更高頻3MHz成分的優勢，此一成分在輸出網路端很容易被過濾出來。
總誤差預算
電源設計方法必須考慮的其它主要挑戰還有滿足被穩壓後電源的整體VOUT準確度和誤差預算。一般而言，對於整體工作條件，誤差預算為目標 VOUT的5%。這個總誤差預算是下面主要因素的總和：
a) DC輸出電壓隨溫度變化的波動――對於大多數穩壓器，因工作溫度條件變化產生的波動最大為1.5%。
b) 線路/負載調節－大多數商用穩壓器<0.5%。
c) 漣波電壓――VRIPPLE 一般與切換頻率和被動元件的寄生效應有關。FAN5353架構產生的性能與輸出電容的ESR無關，故允許使用陶瓷輸出電容。在驅動輕載時，FAN5354在不連續電流 (DCM) 單脈衝 PFM 模式下工作，相較於其它的PFM架構，這種模式產生的輸出漣波很低。該架構的漣波對整體誤差預算的影響極小。例如，圖3給出了5V VIN、1.2V 輸出電壓、3A 負載條件下的典型漣波電壓，只有15mV 或 1.2%。
圖3：輸出電壓漣波與負載電流的關係
d) 暫態響應。由於大多數穩壓器都針對上述參數進行了調整或最佳化，滿足整體誤差預算所涉及的變數中，僅有負載變動幅度(load-step)暫態響應需要考慮。對此，FAN5354架構比傳統解決方案有顯著的改善。只需要利用非常小的輸出電容(2x10uF 0805大小 陶瓷電容) 就能獲得這個性能參數，因此，電源設計無需增加額外的大型電容(和成本)來改善暫態響應，也能夠滿足規範的要求。圖4中，對於大至1.5A的負載暫態變動幅度，在穩壓器追蹤出(track out)暫態之前，FAN5354的VOUT誤差只有30mV。這代表著2.5%的誤差，因此可在1-1.8V 範圍，低VOUT條件下獲得VOUT準確度。
圖4：暫態響應，負載為100mA 到1.5A 到100mA、 5µs/div. 。
從上述總誤差預算分析可以看出，FAN5354實現方案的負載暫態響應誤差預算大約為5%，距離系統容差(大約 15%)尚有一段距離，相較之下，缺少這個視窗的傳統解決方案卻十分受限，尤其是在低輸出電壓情況下。
圖5：FAN5354與傳統解決方案的誤差預算分析之結論
除了上面討論的主要性能指標之外，對電路板的空間也越來越關注。如上所述，FAN5354 3MHz解決方案的架構只需使用兩顆常用的低成本、小電容值陶瓷電容(許多被動元件供應商均可提供)來當作輸出電容，就能夠幫助使用者滿足這些關鍵的規格要求。相較於基於電感值範圍為10-33uH的傳統300kHz 到1MHz開關產品的解決方案，它需要的電感值也要小得多 (470nH) 。FAN5354採用MLP 3.5 x 3mm表面黏著的小尺寸封裝，這種封裝形式因具有出色的電氣性能和熱性能，讓元件能夠在很大範圍的工作條件下獲得相當大的電流，故廣為這類應用所使用。最後，該元件還整合了軟啟動和內部補償功能，無需額外的外部元件來實現這些功能。更小電感、更小COUT、最少的外部被動元件，以及先進的封裝解決方案，這些特性相結合，構成了一個板上佔位面積<65mm2的最佳化設計。
圖6：最佳化電路板佈局的佔位面積 <65 mm2，電感尺寸僅5x5 mm。
結語
如何滿足覆蓋範圍更廣的節能標準，如何為更高性能的晶片組供電，在佔位面積更小、更薄的解決方案中提供一流的視頻和數位處理功能，各個終端市場正面臨著種種的挑戰，而這些新穩壓器拓墣的面市恰逢其時。本文介紹了快捷半導體先進的FAN5354 DC/DC降壓穩壓器的優點，使用該元件，能夠針對這些動態問題來量身訂做先進的穩壓器解決方案，並獲得最終設計的最最佳化。這種方法的未來持續發展，無疑將推動消費和工業產品不斷地向前邁進。
