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一家電信產(chǎn)品制造商需要一個(gè) 5V 輸入、1V 輸出、負(fù)載能力為 30A 的電壓轉(zhuǎn)換器為其 FPGA 供電，我推薦了 RT2702。
RT2702 是一款可在 -40℃ ~ +105℃ 的環(huán)境溫度范圍內(nèi)工作的工業(yè)級(jí) Buck 控制器，輸入電壓范圍為 4.5V ~ 19V，可以 1% 的精度輸出最低達(dá) 0.6V 的電壓。它所采用的控制架構(gòu)是 FCOT，這個(gè)詞是 Flexible Constant On Time 的縮寫，由立锜自己定義。按照常識(shí)，Constant On Time（固定導(dǎo)通時(shí)間）控制架構(gòu)的導(dǎo)通時(shí)間是固定的，因而其工作頻率會(huì)隨著輸入電壓、負(fù)載條件的不同而發(fā)生變化，但有了 Flexible 的修飾以后就有所不同了。
先來看看 RT1702 的內(nèi)部框圖：
這里面沒有電壓模式、電流模式控制器里有的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器，與導(dǎo)通時(shí)間有關(guān)的電路是被我涂了顏色的文字部分所代表的端子和小框，導(dǎo)通時(shí)間生成電路 TON Gen. 受從 TON 進(jìn)入的信號(hào)影響，這個(gè)影響的來源要從下圖所示的應(yīng)用電路中才能看到。
由圖可見，TON 是通過一只電阻 R2 連接到 VIN 上的，因此我們可以知道 TON 將與 VIN 有關(guān)。實(shí)際上，它們之間的關(guān)系是這樣的：
式中的 3.8p 代表的是 IC 內(nèi)部集成的一個(gè)小電容，其容量為 3.8pF，RTON 就是上圖中的 R2，VOUT 是輸出電壓，這幾個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)于一個(gè)應(yīng)用來說都是固定值，唯一可以變化的就是 VIN 了，所以這個(gè)式子決定了 TON 和 VIN 之間的關(guān)系，它們之間基本上是成反比的。如果 VIN 已經(jīng)確定，那么 TON 也就被確定了。
一個(gè)開關(guān)周期中的截止時(shí)間 TOFF 是如何確定的呢？對(duì)于 COT 架構(gòu)來說，這是通過比較產(chǎn)生的，如下圖：
開關(guān)導(dǎo)通期間，電感電流上升；開關(guān)截止期間，電感電流下降。這個(gè)過程中的電流均值便是負(fù)載電流的大小，高出負(fù)載電流的電感電流將進(jìn)入輸出電容，電感電流低于負(fù)載電流的部分則由輸出電容的儲(chǔ)能予以彌補(bǔ)，這一進(jìn)一出之間就形成了輸出電壓上的紋波。紋波的另一部分是由進(jìn)出輸出電容的電流在電容內(nèi)阻 ESR 上形成的，它和前者一起形成了總的輸出電壓紋波，只要此紋波的底部觸及參考電壓 VREF，一次時(shí)長(zhǎng)為 TON 的導(dǎo)通過程就會(huì)發(fā)生，以便電感電流可以增加，彌補(bǔ)輸出電壓的損失。由于輸出電壓紋波幅度相對(duì)輸出電壓來說非常小，所以可以認(rèn)為輸出電壓是恒定不變的，而電感電流下降的這段截止時(shí)間正是由輸出電壓決定的，所以截止時(shí)間 TOFF 幾乎是不會(huì)發(fā)生變化的。當(dāng) TOFF 和 TON 都確定以后，工作頻率也就確定了。
對(duì)于Buck轉(zhuǎn)換器來說，它的占空比
所以有轉(zhuǎn)換器的工作頻率
這便是工作頻率的計(jì)算公式，由于 TON 由前述的 RTON 決定，所以它也間接確定了工作頻率，RT2702 容許的工作頻率范圍為 200kHz~1.2MHz。
以較高的頻率工作，DC/DC 轉(zhuǎn)換器所使用的電感、電容等外圍元件都可以比較小，環(huán)路帶寬可以很寬，高頻響應(yīng)特性可以做得很好，可以適應(yīng)快速變化的負(fù)載的需求，但是如果負(fù)載進(jìn)入很輕的狀態(tài)，功率部分的開關(guān)損耗的占比就會(huì)顯得很大，RT2702 支持在這時(shí)候進(jìn)入 ASM(Audio Skipping Mode) 以降低損耗、提高效率，這種模式下的工作頻率維持在人耳可以聞聽到的頻率范圍之外，因而不會(huì)帶來音頻干擾。
在上面摘錄的 RT2702 應(yīng)用電路中出現(xiàn)了一個(gè)器件，名為 DrMOS，這是個(gè)什么東西呢？原來它是來源于 CPU 大王 Intel 在2004年給定的一個(gè)定義：Driver + MOSFET。
Driver + MOSFET，在一個(gè)普通的 Buck 轉(zhuǎn)換器中就如下圖中用紅線圍起來的部分：
此圖摘錄自 RTQ2823 的規(guī)格書，這是一款可在 -40℃ ~ +125℃ 環(huán)境溫度范圍內(nèi)工作、工作電壓范圍為 4.5V~17V、負(fù)載能力為 8A 的 ACOT 架構(gòu) Buck 轉(zhuǎn)換器，工作頻率 400kHz、800kHz、1200kHz 可選。這樣的器件負(fù)載能力那么高，工作溫度范圍那么寬，又要能以那么高的頻率工作，設(shè)計(jì)上對(duì)于它的開關(guān) MOSFET 的要求就會(huì)非常高，首先是導(dǎo)通內(nèi)阻要很低，同時(shí)要求開關(guān)速度要很快，管子之間的引線、輸入輸出引線的阻抗都要非常低，封裝的散熱能力也要很好才行，這從下圖所示的封裝引腳布置上也能看出來：
圖中封裝信息部分標(biāo)注的 FC 表明這顆 IC 使用了晶核倒裝的結(jié)構(gòu)，前面的文章里已經(jīng)說過，這是把晶核和封裝上的金屬支架直接焊接在一起才能實(shí)現(xiàn)的，是屬于降低阻抗、實(shí)現(xiàn)順利導(dǎo)熱的措施。
RTQ2823 以 8A 的負(fù)載能力就要這樣做，那些需要負(fù)載幾十 A、上百 A 電流的負(fù)載就需要更好的做法了，而 DrMOS 也就是因此產(chǎn)生的。下面就讓我們來看一下 Intel 在定義 DrMOS 時(shí)預(yù)定義的封裝及其引腳定義是如何做的，以便我們對(duì)它有一個(gè)很直觀的認(rèn)識(shí)。
與之對(duì)應(yīng)的原理框圖是這樣的：
這些引腳不需要在每一款 DrMOS 產(chǎn)品上都出現(xiàn)，但我們可以看到 Intel 把大量的引腳都分配給了大電流進(jìn)出的幾個(gè)端子—— VIN、VSWH 和 PGND，芯片的底部還有大的裸露銅箔也是這幾個(gè)端子的引出點(diǎn)，這樣做的目的都是為了確保引線電阻是很低的、導(dǎo)熱能力是很好的，很大的開關(guān)電流在經(jīng)過這些地方時(shí)也不至于造成很大的電磁兼容性問題。通過這樣的處理，與普通 MOSFET 相當(dāng)?shù)?DrMOS 可以用高幾倍的功率密度實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換，而熱性能、EMI性能還非常好。如果你上百度百科去看， DrMOS 這個(gè)詞還被某主板廠當(dāng)作了發(fā)布廣告的機(jī)會(huì)予以使用，這使我再一次意識(shí)到人人可編輯的網(wǎng)頁(yè)資料其實(shí)也是蠻可怕的，給人的信任度打了很大的折扣，因?yàn)樗哪康牟皇菫榱藗鬟f知識(shí)，而是為了商業(yè)利益。這世上只要有了利益，人們便可以不擇手段了。
由于 DrMOS 內(nèi)部已經(jīng)集成了 MOSFET Driver，我們?cè)谠O(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換控制器的時(shí)候便不需要再設(shè)計(jì)這部分，只需輸出 PWM 信號(hào)和其他的控制信號(hào)即可，而重點(diǎn)就轉(zhuǎn)向了控制器的其他部分，上面提到的 RT2702 也是如此，它具有一些很特別的能力，文章前面部分提及的只是其中的一點(diǎn)點(diǎn)而已，有興趣的不妨點(diǎn)擊文末的閱讀原文找出它的規(guī)格書來看看。由于 DrMOSv 規(guī)格多樣，最大的負(fù)載能力已達(dá) 50A，所以你使用 RT2702 與之配合便可達(dá)成這樣的輸出能力，稍后立锜還會(huì)提供加倍其能力的解決方案，有需求的讀者不妨等等看。
轉(zhuǎn)載自RichtekTechnology
