摘 要： 采用0.35 m 18 V DPTM BCD工藝技術(shù)給出電流模降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)設(shè)計(jì)，該功率級(jí)可以輸出3 A負(fù)載電流，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到94.5%。主要針對(duì)轉(zhuǎn)換器中核心部分功率級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括同步開關(guān)功率晶體管設(shè)計(jì)、片上電感電流檢測(cè)電路、功率晶體管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)以及功率級(jí)的版圖設(shè)計(jì)考慮，最后給出了該功率級(jí)設(shè)計(jì)的測(cè)試結(jié)果。
關(guān)鍵詞： 電流模；同步DC-DC轉(zhuǎn)換器；功率級(jí)；BCD
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(shì)[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(jí)，而電流控制模式BUCK DC-DC轉(zhuǎn)換器中功率級(jí)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(jí)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(zhǎng)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(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)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(jí)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分；最后，電流模轉(zhuǎn)換器需要對(duì)電感電流進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)計(jì)合適的低功耗電感電流檢測(cè)電路亦是功率級(jí)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(jí)。
1 同步功率晶體管設(shè)計(jì)
對(duì)于單片高壓大電流集成DC-DC轉(zhuǎn)換器，功率級(jí)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(zhǎng)；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(duì)于相同大小的導(dǎo)通電阻，LDNMOS晶體管的面積僅為L(zhǎng)DPMOS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(cè)電路
電流模式DC-DC轉(zhuǎn)換器中，電感電流的檢測(cè)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(cè)的方式[6]。
本文對(duì)電感電流檢測(cè)的方式采用間接檢測(cè)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(cè)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(cè)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： 大功率電感廠家 |大電流電感工廠
