由于以下幾方面的原因，負(fù)載點(diǎn)(PoL)架構(gòu)成為目前功率系統(tǒng)的架構(gòu)選擇：首先，現(xiàn)代設(shè)備所需的低電壓使設(shè)計(jì)師可以顯著削減片上功耗，但是以如此低的電壓分配系統(tǒng)功率會造成功率損失。因此，這樣的設(shè)計(jì)很有意義：通過一條高壓總線來分配功率，并在接近使用點(diǎn)的地方進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。

同時，多數(shù)系統(tǒng)(也包括許多芯片)現(xiàn)在需要多個電源電壓。使用多個系統(tǒng)電源總線一般來說沒有局部轉(zhuǎn)換更具吸引力。滿足高峰值電流的需求也促使業(yè)界轉(zhuǎn)向采用PoL技術(shù)。而且，芯片和系統(tǒng)越來越需要按受控順序上電和掉電：局部轉(zhuǎn)換可以更容易地給需要的地方增加智能控制。

雖然PoL架構(gòu)已經(jīng)被很好地建立起來了，但在很多情況下該架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)仍然具有挑戰(zhàn)性。其中一個主要的困難是通常PoL方案所適用的輸入和輸出電壓范圍比較窄。這意味著一個典型的系統(tǒng)會需要兩級轉(zhuǎn)換。首先，一個12V的輸入被降壓到軌電壓(典型為3.3V或5V)，然后PoL轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧妮敵鲭妷骸?/P>

單級轉(zhuǎn)換

因?yàn)橐袚?dān)兩次功率損失，兩級轉(zhuǎn)換技術(shù)不僅浪費(fèi)電路板空間還會浪費(fèi)功率。為了克服這些限制，國際整流器(IR)公司開發(fā)了SupIRBuck系列PoL穩(wěn)壓器。該系列器件可在從2.5V到21V間的任意輸入電壓下工作。這樣就使得更高效率的單級功率轉(zhuǎn)換成為可能。

為了量化單級方案所帶來的效率提升，圖1比較了兩種類型系統(tǒng)的效率。在兩級架構(gòu)中，第一級從12V轉(zhuǎn)換到3.3V，效率有望達(dá)到93%。三個效率為80%的PoL轉(zhuǎn)換器，被分別用于在1.2V、1.5V和1.8V下提供6A電流。

圖1(a) 兩級功率轉(zhuǎn)換架構(gòu)

圖1(b) 單級功率轉(zhuǎn)換架構(gòu))

可以得出，該系統(tǒng)的兩級功率損失大約為9.2W，效率大約為74.4%。相比之下，單級方案直接從12V轉(zhuǎn)換為目標(biāo)輸出電平，效率為85%，功率損失幾乎減少了一半，為4.76W。此外，減少一級功率轉(zhuǎn)換還會減小電路板空間并且降低成本。由于減少了元件數(shù)量且降低了熱應(yīng)力，單級方案還會更可靠。

效率問題

值得注意的是，僅靠一個寬輸入范圍并不足以滿足該類系統(tǒng)的需要。真正的要求是在全范圍內(nèi)都達(dá)到高效率。在SupIRBuck系列中，如圖2所示，即使是在輸入電壓為19V的情況下，該器件的效率也達(dá)到了90%左右。

圖2 IT3821性能(Vin=19V，Vout=3.3V)

PoL轉(zhuǎn)換器的另一個傳統(tǒng)上的缺點(diǎn)是它們無法在整個負(fù)載范圍內(nèi)保持其高效率。在輸出電流較高和較低時更是如此。例如，在高負(fù)載和低負(fù)載時，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器不難出現(xiàn)效率降低10%左右的狀況。SupIRBuck轉(zhuǎn)換器解決了這個難題，在所需電流范圍內(nèi)都能保持高效率。

設(shè)計(jì)選擇

無論是選擇哪種架構(gòu)，PoL系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師都要面臨一些重要的設(shè)計(jì)選擇。最重要的則是要權(quán)衡基于分立器件與使用單芯片轉(zhuǎn)換器這兩種解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

與使用單芯片解決方案相比，使用分立IC和MOSFET的方案仍有一些好處。特別是，這類方案可以通過選擇適當(dāng)?shù)腗OSFET在電流處理方面更靈活。工程師或多或少可以總體控制設(shè)計(jì)參數(shù)。

然而，分立方案需要相對較大的電路板空間。同時，其元件數(shù)量多也意味著難以獲得更高的可靠性，且?guī)齑婀芾硪哺鼮閺?fù)雜。重要地是，設(shè)計(jì)者的工作難度變得更高，這樣會導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期和上市時間加長，并且工程成本也更高昂。最終，如果系統(tǒng)無法呈現(xiàn)預(yù)期性能或者在使用中發(fā)生故障，也將難以找到原因并分?jǐn)傌?zé)任。

相反，單芯片解決方案提供了高密度，簡化了設(shè)計(jì)，使得客戶只需一個供應(yīng)商就可解決所有難題。不過，傳統(tǒng)的單芯片設(shè)計(jì)有自己的弱點(diǎn)：首先，它們不夠靈活且升級麻煩(例如在增加電流輸出輸出時)。而且，它們的魯棒性明顯差于分立方案。更特別的是，在多數(shù)單芯片器件中部署的橫向FET沒有經(jīng)過雪崩測試或評定。

通過結(jié)合高性能同步PWM降壓轉(zhuǎn)換器IC和基準(zhǔn)溝槽MOSFET技術(shù)，SupIRBuck系列可以解決所有上述問題。該系列器件采用5mm×6mm QFN封裝，相比分立方案節(jié)省了70%的空間，比傳統(tǒng)單芯片方案節(jié)省了35%的空間。

憑借適用于寬范圍的輸入電壓，以及4A、6A、7A、9A、12A和14A版本相同的封裝引腳，該系列轉(zhuǎn)換器保證了設(shè)計(jì)的靈活性。滿負(fù)載效率高于現(xiàn)有的單芯片方案的8%到10%。

在設(shè)計(jì)項(xiàng)目初始階段電流未知的情況下，或者在設(shè)計(jì)過程中需求發(fā)生變化的時候，多種電流的版本就顯得特別有用。相同的引腳設(shè)計(jì)可以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)師從一個電流等級轉(zhuǎn)移到另一個，而無需改變PCB版圖。相反的，傳統(tǒng)單芯片方案或Co-Pack方案每種電流等級的引腳都不同，增加電流(達(dá)到更高的性能或更多功能)或減少電流(縮減成本)都需要改變PCB版圖，從而增加風(fēng)險(xiǎn)。

分立方案的確可以靈活地改變MOSFET的電流等級—雖然不是PWM規(guī)格。但或許更重要地是，分立方案也可能由于寄生成分(如印制板走線電感)而引發(fā)EMI問題。SupIRBuck減少了電路板空間，把EMI問題最小化并保證首次就成功，同時還可提供和分立方案一樣的設(shè)計(jì)靈活性。

SupIRBuck系列的改進(jìn)特性還涉及到了其熱增強(qiáng)封裝，實(shí)現(xiàn)了薄至0.9mm的外形。這使得芯片可以安裝在主板背面以進(jìn)一步節(jié)省空間：當(dāng)結(jié)合使用單級功率轉(zhuǎn)換時，這種更小的外形使該器件能夠更理想地用于空間受限的高密度應(yīng)用。

該系列器件特性包括預(yù)偏置啟動，600kHz固定開關(guān)頻率，斷續(xù)式電流(hiccup current)限制、熱保護(hù)關(guān)斷和精確的輸出穩(wěn)壓。設(shè)計(jì)師能隨意地選擇DDR跟蹤，可編程功率良好指示和提供額外2A輸出電流能力的300kHz開關(guān)頻率等功能。

結(jié)語

PoL系統(tǒng)在現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)中已經(jīng)變得很常見。體積小、效率高且靈活的PoL轉(zhuǎn)換器允許使用單級轉(zhuǎn)換，并且能通過一個相同的器件引腳來為任何電流需求低于15A的主板供電。因此，設(shè)計(jì)師可先進(jìn)行他們最初的設(shè)計(jì)，并在稍后的開發(fā)周期中優(yōu)選精確的電流等級。

最終，PoL架構(gòu)將不可避免地得到更廣泛的部署，因?yàn)橄馭upIRBuck系列這類器件會推動設(shè)計(jì)走向更高的性能等級，并提高設(shè)計(jì)的靈活性和易用性。

圖3 IR3821性能對比(在Vin=Vcc=5V)