TI 比較了可堆疊 DC/DC 降壓轉換器和多相控制器的功率密度，著眼于尺寸、散熱、效率和成本。

鑒于能夠有效支持大于 30 A 輸出電流的 DC/DC 轉換器數量有限，設計工程師主要依靠帶有外部場效應晶體管 (FET) 的多相降壓控制器來實現大電流應用。

具有集成金屬氧化物半導體 FET (MOSFET) 的新型負載點 DC/DC 降壓轉換器可以在與多個轉換器互連時實現高輸出電流，也稱為堆疊。堆疊轉換器使設計人員能夠在大電流應用中利用 FET 集成的優(yōu)勢。

在本文中，我將使用WEBENCH 電源設計器來比較一個設計 — 使用德州儀器 (TI) 雙相TPS40425 DC/DC 控制器和外部功率級 — 第二個設計使用兩個 40-A TPS546D24A堆疊集成FET DC/DC 轉換器，同樣來自 TI。WEBENCH Power Designer 是一個端到端的在線設計工具，可以根據用戶的要求創(chuàng)建定制的電源電路。

本文中引用的所有設計以及從所述設計中收集的數據都將從 WEBENCH 工具中收集?；诳刂破骱突谵D換器的設計都具有相同的輸入電壓 (12 V)、輸出電壓 (1 V)、開關頻率 (550 kHz) 和輸出電流 (50 A)。我將比較最終的尺寸、散熱、效率和成本;討論兩種設備類型的優(yōu)點;并強調為什么一種設計架構可能在某些設計場景中具有優(yōu)勢。

功率密度

功率密度定義為每單位體積的功率輸出量度。對于希望創(chuàng)建能夠在更小區(qū)域內提供更高電流的設計的工程師來說，更高的功率密度非常有價值。為了比較面積，WEBENCH Power Designer 工具的尺寸優(yōu)化設置適用于兩種設計。WEBENCH 將設計區(qū)域定義為集成電路 (IC)、所有外部組件以及組件的所有必要禁止區(qū)域的占位面積之和。當優(yōu)先考慮最小面積和高功率密度時，可堆疊降壓轉換器比多相降壓控制器具有明顯優(yōu)勢。

例如，TPS40425 控制器設計產生的總面積為 916 mm 2，而兩個堆疊 TPS546D24A 轉換器的相同優(yōu)化設置產生的總面積為 802 mm 2。這 14.2% 的面積減少是因為兩個轉換器都集成了 MOSFET。在控制器設計中，兩個外部功率級的占位面積各為 56 mm 2，而轉換器在 IC 內完全集成了等效 FET。

當堆疊轉換器以實現更高電流時，轉換器設計的尺寸優(yōu)勢開始減弱，因為每個單獨的轉換器都集成了控制器和 MOSFET。換句話說，對于每個新堆疊的轉換器，都有一個控制器占用更多的電路板空間。對于一個控制器，您只需要添加更多的功率級，同時保留一個控制器 IC。因此，在控制器設計中添加更多功率級比在轉換器設計中堆疊轉換器需要更少的電路板空間。

目前不可能堆疊超過四個轉換器，這限制了可堆疊轉換器可以輸出的電流量。具有外部功率級的多相控制器設計可以輸出更高的電流。

在某個時刻，TPS546D24A 轉換器設計開始產生比控制器設計更大的面積。單個 TPS546D24A 轉換器以 40A 的最大輸出電流和 550kHz 的開關頻率運行，其設計面積約為 585 mm 2。估計兩個或多個堆疊轉換器的設計面積與一個轉換器的面積成比例。例如，在將兩個轉換器堆疊在一起的設計中，設計面積約為 2 × (585 mm 2 ) = 1,170 mm 2。

堆疊多達4個TPS546D24A轉換器將產生160 A的總輸出電流，但TPS40425控制器只能達到80的最大負載電流 A. 相反，讓我們比較一下TPS546D24A轉換器的大小與六相TPS53667控制器的大小，后者的最大輸出電流為160 A.

堆疊三個轉換器時，堆疊轉換器的尺寸優(yōu)勢明顯減弱，堆疊四個轉換器時的設計面積大于控制器設計。我已經做了一些近似值，這些近似值會影響此比較的確切足跡測量。轉換器設計假設每個堆疊轉換器 IC 都包含幾個模式選擇電阻器。實際上，在堆疊設計中，最多只有一個轉換器需要這些電阻器。

TPS53667控制器使用了6個功率級，而在TPS546D24A轉換器中集成了四個總功率級。理想情況下，四堆疊轉換器設計將直接比較四相控制器設計，只需要四個功率級，而不是六級，這將產生一個更小的尺寸。轉換器設計大于六相控制器設計的事實表明，在更大的堆棧數量下，尺寸受到損害的程度。盡管有這些近似，您可以期望可堆疊轉換器設計在堆疊四次時失去與多相控制器相比的尺寸優(yōu)勢。

效率

效率很大程度上取決于選擇的 FET 或位于開關節(jié)點上的功率級，無論它是集成的還是位于外部。將 TPS546D24A 可堆疊轉換器設計的效率與使用 CSD95372BQ5M 外部功率級的 TPS40425 多相降壓控制器設計進行比較時，您可以看到兩種設計在 50A 時的效率非常相似：轉換器為 89.5%，轉換器為 89.9%控制器。效率與負載電流關系圖表明，控制器設計的總體效率往往更高，直到負載電流約為 55A。

CSD95372AQ5M外部功率級的優(yōu)勢在于其推薦的最大工作開關頻率為 2,000 kHz，因此選擇更高的開關頻率需要較少的妥協(xié)。與轉換器中的集成 FET 相比，外部功率級可以在更高的開關頻率下保持更高的效率。如果您的設計不需要在更高的開關頻率下運行，您可以將功率級換成 CSD95327BQ5M，它具有更高的效率但成本更高，并且對輸入電壓噪聲的容忍度更低。當優(yōu)化效率成為優(yōu)先事項時，設計人員可以自由選擇最佳外部功率級進行設計。

功率損耗直接影響效率。同步降壓轉換器中功率損耗的一個重要來源是 MOSFET 損耗，它由傳導損耗和開關損耗組成。傳導損耗由 MOSFET 的導通電阻和晶體管的均方根電流決定。開關損耗包括幾個部分：MOSFET 開關損耗(高側和低側)、MOSFET 柵極驅動損耗、低側體二極管損耗和 MOSFET 輸出電容損耗。特定應用的所選輸入參數(例如輸入電壓、輸出電壓、輸出電流和開關頻率)會影響這兩種損耗的大小。控制器設計中的外部功率級使設計人員能夠選擇一個功率級，以最大限度地減少總功率損耗并最大限度地提高其特定應用的效率。

不幸的是，不可能進一步在轉換器中優(yōu)化集成的fet，這使您無法達到與效率優(yōu)化的控制器設計相同的效率。然而，您可以為轉換器設計的易于使用提供一個理由。在控制器設計中，最小化功率損失的時間可能不值得效率上的邊際效益。

熱耗散

散熱是一種印刷電路板(PCB)功率損耗的形式，它會影響設計的效率。有效的散熱最大限度地增加在PCB上傳導熱的銅面積。在直流/直流降壓控制器和轉換器布局中，熱源來自多相控制器和功率級。一種能產生更多功率密度的設計往往會有更差的散熱效果。

由于TPS546D24A轉換器集成了功率級和控制器，所以熱產生的來源僅來自兩個轉換器集成電路，其占地面積為126 mm2?？刂破髟O計從主控制器IC電路和兩個外部功率級產生熱量，其占地面積為178 mm2?？刂破髟O計比變頻器設計更能散熱41%，因此在理論上，控制器設計往往具有更好的熱性能。設計成本

讓我們使用電源設計器的成本優(yōu)化功能來比較優(yōu)化設置下每個設計的成本和大小，并從電源設計器生成材料清單(BOM)成本。

當對成本進行優(yōu)化時，TPS546D24A轉換器設計的BOM成本低于TPS40425控制器設計的BOM成本。當優(yōu)化尺寸時，TPS546D24A轉換器設計的解決方案尺寸為802 mm2，但總BOM成本為36.32美元。尺寸優(yōu)化的設計要求小輸入的大容量電容器，占20.52美元，或超過BOM總成本的50%。如果最小化成本是最優(yōu)先的，您可以將大容量電容器替換為成本較低但具有更高的設計方案。

優(yōu)化成本可以使BOM減少59%，但可以權衡增加29%的規(guī)模。這種權衡是否值得取決于應用程序，但很明顯，成本優(yōu)化的設計比尺寸優(yōu)化的設計更接近于更平衡的設計。

在這種情況下，成本降低來自使用具有更大尺寸的低成本輸入電容器。由于控制器設計不需要任何大容量電容器，因此兩種優(yōu)化之間的成本和占位面積差異不大。尺寸優(yōu)化的控制器設計成本比轉換器設計成本低 29%，但要大 14%。這很重要，因為例如，如果您的設計對成本敏感并且不需要絕對最小尺寸，您可以選擇尺寸優(yōu)化的控制器設計，而不是更昂貴的轉換器設計。如果您可以承受大于 1,000 mm 2的占位面積，則成本優(yōu)化轉換器設計提供了更平衡的解決方案，與成本優(yōu)化控制器設計相比，總 BOM 成本更低，占位面積更小。

采購也是考慮成本時的一個因素?？啥询B式轉換器簡化了采購過程，因為電源階段的集成意味著設計師必須只保留一個IC的庫存，而不是一個IC及其電源階段。一個設備的大規(guī)模采購可以進一步降低更大的價格，盡管差異可能沒有那么顯著?？刂破髟诓少彿矫娴膬?yōu)勢在于提供電力級、fet和驅動程序的各種供應商。

結論

總體而言，可堆疊轉換器通常可以實現更小的尺寸，即使在優(yōu)化成本時也不會受到影響。多相降壓控制器提供更好的散熱和效率，同時讓設計人員可以自由定位和選擇自己的功率級。在有線網絡和無線基礎設施應用中使用轉換器可以優(yōu)先考慮降低成本和尺寸。當您需要高效率和卓越的熱性能，或者您的設計需要非常高的電流時，多相控制器非常適合。