當(dāng)電流型DAC(IDAC)驅(qū)動(dòng)它們的負(fù)載時(shí),通道供電電壓(PVDS)和輸出負(fù)載電壓之間的差異會(huì)在負(fù)載上下降。這導(dǎo)致芯片內(nèi)功率耗散,因此可能導(dǎo)致模具溫度過(guò)高,影響可靠性,并降低整體系統(tǒng)效率。

本文詳細(xì)介紹了一種簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功率控制的電流型DAC轉(zhuǎn)換器IDAC使用一個(gè)精確的模擬微控制器作為主機(jī)和一個(gè)單感應(yīng)多輸出(Simo)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器,以減少解決方案的尺寸。在動(dòng)態(tài)功率控制下,IDAC電源電壓保持在一定的最低水平,以保持IDAC信道在任何給定輸出電流和負(fù)載電壓下的運(yùn)行,從而最大限度地減小芯片上的功率耗散。

IDAC的產(chǎn)出階段

IDAC的簡(jiǎn)化輸出階段如圖1所示。值得注意的是當(dāng)前BUY(下沉)的輸出PMO驅(qū)動(dòng)階段。MOS級(jí)的源連接到負(fù)載,因此負(fù)載電壓決定IDAC的功能。負(fù)載電壓應(yīng)該足夠低(或?qū)﹄娏鹘邮掌鱽?lái)說(shuō)足夠高),以保持輸出設(shè)備在飽和狀態(tài),從而保持高輸出阻抗,以驅(qū)動(dòng)負(fù)載的準(zhǔn)確定義電流。

圖1IDAC的輸出階段

熱約束

因此,IDAC的輸出階段將會(huì)降低任何頭空間,即電源和負(fù)載電壓之間的差,同時(shí)也要尋找輸出電流。這導(dǎo)致輸出階段的功率耗散,從而提高了設(shè)備的溫度。芯片功率耗散只是頭室電壓和輸出電流的產(chǎn)物。

芯片上的功率耗散可以將模具的連接溫度提高到超過(guò)推薦的操作限制,并且可能是具有大通道密度或環(huán)境溫度較高的系統(tǒng)的主要關(guān)注點(diǎn)。

考慮到IDAC通道為300 mA到10 Ω，IDAC電源PVDD為3.5 V，相應(yīng)的負(fù)載電壓VOUT為3V，如圖1所示。因此，凈空電壓為0.5 V，片上功耗約為0.5 V×300 mA = 0.15 W。如果IDAC通道產(chǎn)生低于全尺度的電流或負(fù)載阻抗降低，負(fù)載電壓降低，在輸出MOS級(jí)降低多余的凈空，表現(xiàn)為片上散熱。

器件的結(jié)溫度與功率耗散有關(guān)，如式1所示。

說(shuō)明

TJ為結(jié)點(diǎn)溫度。

PDISS是片上的功耗。θ 是的 通常在數(shù)據(jù)表中提供的連接熱阻。

T A 是環(huán)境溫度。

另一種查看方程1的方法是確定給定功率耗散量的裝置所允許的最大環(huán)境溫度,如方程2所示。

在一個(gè)49球WLCSP包中,最大連接溫度T J(MAX) 溫度不能超過(guò)115℃ 是的 該包件為30℃/西經(jīng)。在前一個(gè)示例中,對(duì)于一個(gè)耗散P的IDAC信道 光盤(pán) 在內(nèi)部0.15%度,溫度上升為0.15%度30度/度=4.5度。最大安全環(huán)境溫度降至110.5℃。

如果一個(gè)包中有四個(gè)通道,每個(gè)通道內(nèi)部耗散0.15%瓦,則芯片上的總耗散功率為0.6%瓦。四個(gè)通道引起的溫度上升 光盤(pán) × θ 是的 =0.6%x30°C/西經(jīng)=18°C。因此,最大安全環(huán)境溫度僅為97℃。

由于目前光通信系統(tǒng)對(duì)信道密度的要求越來(lái)越高,因此開(kāi)始發(fā)現(xiàn) a(最大) 在最終應(yīng)用中可能會(huì)引起關(guān)注。多通道電流輸出DACS驅(qū)動(dòng)光負(fù)載,如激光二極管、硅光學(xué)放大器和硅光電倍數(shù)器在一個(gè)板或系統(tǒng)上是很常見(jiàn)的。此外,密集的填料意味著系統(tǒng)溫度的顯著上升.

動(dòng)態(tài)功率控制

利用動(dòng)態(tài)變PVDS電源電壓(又稱(chēng)動(dòng)態(tài)功率控制(DPC))改進(jìn)了芯片功耗過(guò)大的問(wèn)題。DPC的目的是提供PVDS電源電壓,使IDAC信道能夠在任何給定的輸出電流和負(fù)載電壓下正常工作。

DPC可以有不同類(lèi)型的實(shí)現(xiàn)。其中一種方法是使用ADC來(lái)感知負(fù)載電壓,然后用單片機(jī)計(jì)算所需的PVDS電壓。然后,這個(gè)電源電壓可以由另一個(gè)電壓或電流源/接收器或甚至使用的IDAC的另一個(gè)通道設(shè)定。

反饋可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)pvds的更改。圖2和圖3提供了使用電壓或電流輸出反饋,以保證具有反饋(FB)節(jié)點(diǎn)的可編程輸出的開(kāi)關(guān)模式調(diào)節(jié)器的輸出。

圖2用電壓輸出DACS改變直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出。

圖3使用電流源/匯DACS改變直流轉(zhuǎn)換器的輸出。

本文所描述的解決方案顯示了IDAC動(dòng)態(tài)功率控制的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)?AD5770R 使用精密模擬微控制器?ADUCM410 作為主機(jī)和模擬開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器?MAX77655 .這一解決方案可以為其他IDAC家庭與其他轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)器,都來(lái)自于農(nóng)業(yè)發(fā)展指數(shù)。MAX77655便于使用i2c總線控制其輸出電壓,因此不需要如前所述的反饋。

動(dòng)態(tài)功率控制測(cè)試

圖4展示了用于演示動(dòng)態(tài)功率控制的好處的完整系統(tǒng)設(shè)計(jì)。西莫調(diào)節(jié)器通道被用來(lái)驅(qū)動(dòng)IDAC的個(gè)別pvds供電。主機(jī)微控制器用于控制調(diào)節(jié)器輸出和IDAC輸出電流。IDAC有一個(gè)內(nèi)部診斷復(fù)用器來(lái)輸出電流和負(fù)載電壓的每個(gè)通道。采用主機(jī)控制器內(nèi)置的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)IDAC的多路復(fù)用輸出進(jìn)行了感知和數(shù)字化處理。

圖4實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功率控制解決方案.

DPC的算法可以有不同的形式,但可以大致分為兩種類(lèi)型:一種是IDAC驅(qū)動(dòng)已知阻抗的情況,另一種是IDAC驅(qū)動(dòng)未知或變化阻抗的情況。

對(duì)于已知的阻抗,微控制器可以執(zhí)行一個(gè)計(jì)算,以獲得所需的最小電源,并相應(yīng)地設(shè)置PVDS電源電壓。

對(duì)于未知的阻抗,或者更常見(jiàn)的是,對(duì)于在溫度下出現(xiàn)不同阻抗的負(fù)載,主機(jī)控制器可以在pvds電源足夠高時(shí),首先感知負(fù)載電壓。然后控制器可以將PVDS電源降至最佳值,即負(fù)載電壓和最小頭室電壓的總和。然后,可以為每個(gè)IDAC通道代碼更改觸發(fā)這個(gè)步驟,或者在固定的時(shí)間間隔下觸發(fā),以適合最終應(yīng)用程序的方式為準(zhǔn)。

無(wú)論采用什么方法,注意的一個(gè)關(guān)鍵規(guī)格是IDAC的最小頭室電壓規(guī)格。PVDS電源電壓與負(fù)載電壓之間的任何差異都會(huì)被拋過(guò)IDAC輸出級(jí),從而導(dǎo)致芯片上的散熱。

結(jié)果

為了演示的目的,圖5中僅繪制了一個(gè)IDAC通道(IDAC5)的結(jié)果,該通道的整個(gè)電流范圍為100ma,這是為了驅(qū)動(dòng)一個(gè)22微米的負(fù)載。應(yīng)當(dāng)指出的是,IDAC的最低供電需求為2.5V,最低頭室電壓為0.275V。在主機(jī)微控制器上運(yùn)行的固件代碼必須遵守這些限制。

圖5芯片功率耗散與PVDS電源電壓的比較。

通過(guò)測(cè)量PVDS電源電壓與負(fù)載電壓之間的差來(lái)計(jì)算芯片內(nèi)功率耗散。這兩個(gè)案例都是這樣做的--一個(gè)具有DPC,一個(gè)沒(méi)有。在沒(méi)有DPC的情況下,PVDS電源電壓固定在2.5V,AVE=0V。

通過(guò)測(cè)量從3.3V電源輸入到開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的電流和IDAC的AVDPIN的電流,也可以注意到系統(tǒng)的總耗電量。圖6顯示了3.3V電源在0-100MA的整個(gè)電流范圍內(nèi)的總耗電量。

圖6有和沒(méi)有DPC的系統(tǒng)總耗電量。

圖7和圖8顯示了在pvds和IDAC通道銷(xiāo)上觀測(cè)到的波紋圖。由于IDAC是直接由開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器輸出驅(qū)動(dòng)的,如圖4所示,根據(jù)IDAC的交流電源拒絕率(psrr)規(guī)范,預(yù)計(jì)會(huì)有一定的波動(dòng)。交流PSRR是一種衡量輸出電流拒絕交流變化的電源應(yīng)用于反饋。通過(guò)優(yōu)化Simo的輸出電容器和(或)如果應(yīng)用程序需要,在SimoPMII輸出中使用濾波器,可以進(jìn)一步去除波紋。這些圖是在西莫輸出和IDAC供電銷(xiāo)之間使用LC濾波器獲得的。建議使用低ESR的電感器作為IDAC可以產(chǎn)生或吸收大量電流。

圖7.使用交流耦合輸入的IDAC5 100 mA范圍的全波紋圖(AC耦合)。

圖8.使用AC耦合輸入的IDAC5 100 mA范圍內(nèi)的中型波紋圖(AC耦合)。

Implementation

硬件實(shí)現(xiàn)可以根據(jù)最終應(yīng)用程序采取不同的形式。圖11顯示了兩種選擇,一種是單極供電,僅包括MAX77655(頂部),另一種是雙極供電,另一種是直流-直流轉(zhuǎn)換器,即?ADP5073 (底部)補(bǔ)充提供負(fù)供電。在兩種情況下,都沒(méi)有顯示單片機(jī)。從表面上看,兩個(gè)選擇都非常緊湊,分別適合于1.275'x0.605'和1.502'x0.918'的尺寸。這兩個(gè)選項(xiàng)都沒(méi)有經(jīng)過(guò)評(píng)估,而是解決方案尺寸的緊密性的證明。結(jié)果用離散板得到.圖9和圖10顯示了所謂解決方案的3D表現(xiàn)。

圖9用單極供電的最終PCB的三維表現(xiàn)。

圖10用雙極供電的最終解決方案的3D表現(xiàn)。

圖11使用模擬PMII作為電源解決方案的樣例布局。頂部:單極供電。底部:兩極供電。

結(jié)論

總之,動(dòng)態(tài)功率控制在電流輸出發(fā)壓器上造成較小的芯片功耗,在不影響負(fù)載運(yùn)行的情況下降低了總功耗。西莫拓?fù)溟_(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器是一個(gè)理想的解決方案來(lái)驅(qū)動(dòng)IDAC,如AD5770R,同時(shí)也是緊湊的布局和功率效率。