利用動態功率控制抑制電流輸出數位類比轉換器的過熱問題

作者：ADI 產品應用工程師 Suraj Pai 及資深應用工程師 Vikash Sethia


摘要

當拉/灌電流數位類比轉換器(IDAC)驅動負載時，通道電源電壓(PVDD)和輸出負載電壓的差值會以電壓降的形式作用於負載上。這會導致晶片內功耗，進而造成晶片溫度過高，不僅影響可靠性，還可能降低系統整體效率。為了解決上述問題，本文介紹一種簡易的動態功率控制方法。同時透過採用整合ADI單電感多輸出(SIMO)技術的DC-DC轉換器，有助於縮小解決方案尺寸。藉由動態功率控制，IDAC電源電壓維持在極低水準，確保IDAC通道在任何給定輸出電流和負載電壓下都能正常運行，進而儘量降低晶片內功耗。

原理

IDAC的輸出級

圖1顯示了IDAC的簡化輸出級。需要注意的是用於拉（灌）電流的輸出PMOS (NMOS)驅動級。MOS級的源極連接到負載，因此負載電壓決定了IDAC的工作狀態。為了用精準的電流驅動負載，負載電壓應該夠低（對於灌電流來說應該夠高），以使輸出元件保持飽和狀態，進而維持高輸出阻抗。

Figure 1. The output stage of IDAC.
圖1.IDAC的輸出級

熱約束

因此，IDAC的輸出級在提供輸出電流的同時，會消耗全部的電壓餘裕，即電源電壓與負載電壓的差值。這會導致輸出級產生功耗，進而使元件溫度升高。晶片內功耗就是餘裕電壓與輸出電流的乘積。

晶片內功耗會導致晶片的接面溫度上升至建議的工作限值以上，對具有高通道密度或較高環境溫度的系統而言可能是個大問題。

假設一個IDAC通道為10 Ω負載提供最大300 mA的輸出電流，IDAC電源PVDD為3.5 V，相應的負載電壓VOUT為3 V，如圖1所示。因此，餘裕電壓為0.5 V，晶片內功耗約為0.5 V × 300 mA = 0.15 W。如果隨後讓IDAC通道提供低於滿量程的電流，或者降低負載阻抗，則負載電壓會降低，多餘的餘裕會作用在輸出MOS級上，表現為晶片內散熱。

元件接面溫度與功耗的關係如公式1所示。

Equation 1.

其中：

TJ是接面溫度。

PDISS是晶片內功耗。

θJA是結熱阻，通常在資料手冊中提供。

TA是環境溫度。

也可以從另一個角度來看待公式1：對於給定的功耗，可以確定元件所能承受的最高環境溫度，如公式2所示。

Equation 2.

對於49接腳WLCSP封裝，最大接面溫度TJ(MAX)不能超過115°C，該封裝的熱阻 θJA為30°C/W。在上例中，單個IDAC通道的內部功耗PDISS為0.15 W，故溫升為0.15 W × 30°C/W = 4.5°C。最高安全環境溫度降低至110.5°C。

如果單一封裝中有四個通道，每個通道的內部功耗為0.15 W，則晶片內總功耗為0.6 W。四個通道導致的溫升為PDISS × θJA = 0.6 W × 30°C/W = 18°C。因此，最高安全環境溫度進一步降低，僅有97°C。

在目前的光通訊系統中，通道密度要求不斷提高，97°C的TA(MAX)顯然會成為終端應用中的一個問題。在單一電路板或系統中，通常使用多通道電流輸出DAC來驅動光負載，例如雷射二極體、矽光放大器和矽光電倍增管。此外，高密度設計可能會導致系統溫度顯著升高。

動態功率控制

使用動態變化的PVDD電源電壓可以緩解晶片內功耗過大的問題，此種方法也被稱為動態功率控制(DPC)。DPC力求根據任何特定的輸出電流和負載電壓，提供剛好能夠保證IDAC通道正常工作的PVDD電源電壓。

DPC有多種不同的實現方法。一種方法是利用ADC感測負載電壓，再由微控制器計算所需的PVDD電壓。然後，該電源電壓可由另一個電壓或拉/灌電流DAC設定，甚至由所用IDAC的另一個通道來設定。

DAC可以透過多種方式來改變PVDD。圖2和圖3分別顯示了利用電壓和電流輸出DAC來調節開關模式穩壓器的輸出，該穩壓器具有可程式化輸出和回饋(FB)節點。

Figure 2. Using voltage output DACs to change the output of a DC-to-DC converter.
圖2.利用電壓輸出DAC改變DC-DC轉換器的輸出
Figure 3. Using current source/sink DACs to change the output of a DC-to-DC converter.
圖3.利用拉/灌電流DAC改變DC-DC轉換器的輸出

本文詳細介紹IDAC AD5770R動態功率控制的一種簡單實現方案，其使用精密類比微控制器ADuCM410 作為主機，並採用SIMO開關穩壓器 MAX77655。

對於ADI的其他IDAC系列，可以採用ADI的其他開關穩壓器來實現這種解決方案。MAX77655使用 I2C匯流排控制其輸出電壓，因此不需要前面提到的DAC。

測試動態功率控制

圖4顯示了用於展示動態功率控制優勢的完整系統設計。SIMO穩壓器通道用於為IDAC的各個PVDD電源供電。主機微控制器用於控制穩壓器輸出和IDAC輸出電流。IDAC內建診斷多工器，可導出每個通道的輸出電流和負載電壓。主機控制器的內建類比數位轉換器(ADC)用於感測IDAC的多工輸出並將其數位化。

Figure 4. Implementation of dynamic power control solution.
圖4.動態功率控制解決方案的實現

DPC演算法有多種形式，但大致可以分為兩類：一類用於IDAC驅動已知阻抗的情況，另一類用於IDAC驅動未知或變化阻抗的情況。

對於已知阻抗，微控制器可以透過計算得知所需的最小電源電壓，並相應地設定PVDD電源電壓。

對於未知阻抗，或者更常見的是，對於阻抗隨溫度而變化的負載，主機控制器可以在PVDD電源電壓夠高的時候，首先感測負載電壓。然後，控制器可以將PVDD電源電壓降至最優值，即負載電壓和最小餘裕電壓之和。此步驟可以在每次IDAC通道數位碼改變時觸發，或者以固定的時間間隔觸發，具體觸發方式取決於最終應用的需求。

無論採用何種方法，值得注意的一個關鍵規格是IDAC的最小餘裕電壓規格。PVDD電源電壓和負載電壓的任何差異都會作用在IDAC輸出級上，導致晶片內散熱。

結果

出於展示目的，圖5僅繪製了一個IDAC通道(IDAC5)的結果，其滿量程電流範圍為100 mA，用於驅動22 Ω負載。需要注意的是，該IDAC的最小(PVDD–AVEE)電源要求為2.5 V，最小餘裕電壓為0.275 V。主機微控制器上運行的韌體程式碼必須遵守這些限制。

Figure 5. On-chip power dissipation comparison along with PVDD supply voltage.
圖5.晶片內功耗比較及PVDD電源電壓

晶片內功耗利用PVDD電源電壓和負載電壓的差值來計算。我們計算了兩種情況下的功耗：一種是有DPC，一種是沒有DPC。在沒有DPC的情況下，PVDD電源電壓固定在2.5 V，AVEE = 0 V。

透過測量開關穩壓器3.3 V輸入端和IDAC的AVDD接腳的電流，還可以得到系統的總功耗。圖6顯示了在0 mA至100 mA的整個電流範圍內，系統從3.3 V電源消耗的總功率。

Figure 6. Total system power consumption with and without DPC.
圖6.有DPC和無DPC兩種情況下的系統總功耗

圖7和圖8顯示了在PVDD和IDAC通道接腳上觀察到的漣波圖。IDAC由開關穩壓器輸出直接驅動（如圖4所示），因此預計會出現一定量的漣波，具體大小取決於IDAC的交流電源抑制比(PSRR)規格。交流PSRR衡量輸出電流對DAC電源交流變化的抑制能力。如果應用需要，可以優化SIMO的輸出電容和/或在SIMO PMIC輸出端使用濾波器，進而進一步消除漣波。這些曲線圖是在SIMO輸出端和IDAC電源接腳之間使用LC濾波器後獲得的。建議使用低ESR的電感，因為IDAC可以提供或吸收大量電流。

Figure 7. Ripple plots (AC-coupled) at full scale for IDAC5 100 mA range using AC-coupled inputs.
圖7.使用交流耦合輸入的IDAC5 100 mA範圍的滿量程漣波圖（交流耦合）
Figure 8. Ripple plots (AC-coupled) at midscale for IDAC5 100 mA range using AC-coupled inputs.
圖8.使用交流耦合輸入的IDAC5 100 mA範圍的半量程漣波圖（交流耦合）

建置方案

根據最終應用，硬體建置可以採用不同的形式。圖11顯示了兩種方案：一種採用單極性電源，僅有MAX77655（頂部）；另一種採用雙極性電源，外加DC-DC轉換器 ADP5073（底部）以提供負電源。這兩種情況都沒有顯示微控制器。如圖所示，兩種方案都非常精巧，尺寸分別為1.275" × 0.605"和1.502" × 0.918"。兩種方案均未經過評估，僅用於展示解決方案的精巧性。結果是使用分立電路板獲得的。圖9和圖10顯示了相關解決方案的3D渲染效果。

Figure 9. 3D renderings of the final solution with unipolar supply.
圖9.採用單極性電源的最終解決方案的3D效果圖
Figure 10. 3D renderings of the final solution with bipolar supplies.
圖10.採用雙極性電源的最終解決方案的3D效果圖
Figure 11. Sample layouts using the SIMO PMIC as the power solution. Top: Unipolar supply. Bottom: Bipolar supplies.
圖11.使用SIMO PMIC作為電源解決方案的佈局示例。上方：單極性電源。下方：雙極性電源。

結論

根據本文可得知，動態功率控制能夠減少電流輸出DAC的晶片內功耗，並降低總功耗，同時不會對負載運行造成不利影響。SIMO拓撲的開關穩壓器是驅動AD5770R等IDAC的理想解決方案，而且在佈局上非常精巧，能效也很卓越。