當電流型DAC(IDAC)驅(qū)動它們的負載時,通道供電電壓(PVDS)和輸出負載電壓之間的差異會在負載上下降。這導致芯片內(nèi)功率耗散,因此可能導致模具溫度過高,影響可靠性,并降低整體系統(tǒng)效率。

本文詳細介紹了一種簡單的實現(xiàn)動態(tài)功率控制的電流型DAC轉換器IDAC使用一個精確的模擬微控制器作為主機和一個單感應多輸出(Simo)開關調(diào)節(jié)器,以減少解決方案的尺寸。在動態(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載電壓下的運行,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的簡化輸出階段如圖1所示。值得注意的是當前BUY(下沉)的輸出PMO驅(qū)動階段。MOS級的源連接到負載,因此負載電壓決定IDAC的功能。負載電壓應該足夠低(或?qū)﹄娏鹘邮掌鱽碚f足夠高),以保持輸出設備在飽和狀態(tài),從而保持高輸出阻抗,以驅(qū)動負載的準確定義電流。

圖1IDAC的輸出階段

熱約束

因此,IDAC的輸出階段將會降低任何頭空間,即電源和負載電壓之間的差,同時也要尋找輸出電流。這導致輸出階段的功率耗散,從而提高了設備的溫度。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)的主要關注點。

考慮到IDAC通道為300 mA到10 Ω，IDAC電源PVDD為3.5 V，相應的負載電壓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載阻抗降低，負載電壓降低，在輸出MOS級降低多余的凈空，表現(xiàn)為片上散熱。

器件的結溫度與功率耗散有關，如式1所示。

說明

TJ為結點溫度。

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49球WLCSP包中,最大連接溫度T J(MAX) 溫度不能超過115℃ 是的 該包件為30℃/西經(jīng)。在前一個示例中,對于一個耗散P的IDAC信道 光盤 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℃。

如果一個包中有四個通道,每個通道內(nèi)部耗散0.15%瓦,則芯片上的總耗散功率為0.6%瓦。四個通道引起的溫度上升 光盤 × 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)對信道密度的要求越來越高,因此開始發(fā)現(xiàn) a(最大) 在最終應用中可能會引起關注。多通道電流輸出DACS驅(qū)動光負載,如激光二極管、硅光學放大器和硅光電倍數(shù)器在一個板或系統(tǒng)上是很常見的。此外,密集的填料意味著系統(tǒng)溫度的顯著上升.

動態(tài)功率控制

利用動態(tài)變PVDS電源電壓(又稱動態(tài)功率控制(DPC))改進了芯片功耗過大的問題。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載電壓下正常工作。

DPC可以有不同類型的實現(xiàn)。其中一種方法是使用ADC來感知負載電壓,然后用單片機計算所需的PVDS電壓。然后,這個電源電壓可以由另一個電壓或電流源/接收器或甚至使用的IDAC的另一個通道設定。

反饋可以通過多種方式實現(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)點的可編程輸出的開關模式調(diào)節(jié)器的輸出。

圖2用電壓輸出DACS改變直流-直流轉換器的輸出。

圖3使用電流源/匯DACS改變直流轉換器的輸出。

本文所描述的解決方案顯示了IDAC動態(tài)功率控制的簡單實現(xiàn)?AD5770R 使用精密模擬微控制器?ADUCM410 作為主機和模擬開關調(diào)節(jié)器?MAX77655 .這一解決方案可以為其他IDAC家庭與其他轉換調(diào)節(jié)器,都來自于農(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。

動態(tài)功率控制測試

圖4展示了用于演示動態(tài)功率控制的好處的完整系統(tǒng)設計。西莫調(diào)節(jié)器通道被用來驅(qū)動IDAC的個別pvds供電。主機微控制器用于控制調(diào)節(jié)器輸出和IDAC輸出電流。IDAC有一個內(nèi)部診斷復用器來輸出電流和負載電壓的每個通道。采用主機控制器內(nèi)置的模擬數(shù)字轉換器(ADC)對IDAC的多路復用輸出進行了感知和數(shù)字化處理。

圖4實現(xiàn)動態(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型:一種是IDAC驅(qū)動已知阻抗的情況,另一種是IDAC驅(qū)動未知或變化阻抗的情況。

對于已知的阻抗,微控制器可以執(zhí)行一個計算,以獲得所需的最小電源,并相應地設置PVDS電源電壓。

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

無論采用什么方法,注意的一個關鍵規(guī)格是IDAC的最小頭室電壓規(guī)格。PVDS電源電壓與負載電壓之間的任何差異都會被拋過IDAC輸出級,從而導致芯片上的散熱。

結果

為了演示的目的,圖5中僅繪制了一個IDAC通道(IDAC5)的結果,該通道的整個電流范圍為100ma,這是為了驅(qū)動一個22微米的負載。應當指出的是,IDAC的最低供電需求為2.5V,最低頭室電壓為0.275V。在主機微控制器上運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。

通過測量PVDS電源電壓與負載電壓之間的差來計算芯片內(nèi)功率耗散。這兩個案例都是這樣做的--一個具有DPC,一個沒有。在沒有DPC的情況下,PVDS電源電壓固定在2.5V,AVE=0V。

通過測量從3.3V電源輸入到開關調(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的整個電流范圍內(nèi)的總耗電量。

圖6有和沒有DPC的系統(tǒng)總耗電量。

圖7和圖8顯示了在pvds和IDAC通道銷上觀測到的波紋圖。由于IDAC是直接由開關調(diào)節(jié)器輸出驅(qū)動的,如圖4所示,根據(jù)IDAC的交流電源拒絕率(psrr)規(guī)范,預計會有一定的波動。交流PSRR是一種衡量輸出電流拒絕交流變化的電源應用于反饋。通過優(yōu)化Simo的輸出電容器和(或)如果應用程序需要,在SimoPMII輸出中使用濾波器,可以進一步去除波紋。這些圖是在西莫輸出和IDAC供電銷之間使用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

硬件實現(xiàn)可以根據(jù)最終應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-直流轉換器,即?ADP5073 (底部)補充提供負供電。在兩種情況下,都沒有顯示單片機。從表面上看,兩個選擇都非常緊湊,分別適合于1.275'x0.605'和1.502'x0.918'的尺寸。這兩個選項都沒有經(jīng)過評估,而是解決方案尺寸的緊密性的證明。結果用離散板得到.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。

結論

總之,動態(tài)功率控制在電流輸出發(fā)壓器上造成較小的芯片功耗,在不影響負載運行的情況下降低了總功耗。西莫拓撲開關調(diào)節(jié)器是一個理想的解決方案來驅(qū)動IDAC,如AD5770R,同時也是緊湊的布局和功率效率。